1. Das Grundprinzip
Geothermische Systeme nutzen die im Untergrund oder der Umgebung
(Wasser, Luft) enthaltene Energie zur Bereitstellung von Wärme
bzw. zur Stromerzeugung. Zur Nutzung der im Untergrund gespeicherten
Wärmeenergie werden verschiedene Systeme eingesetzt bzw.
erforscht und entwickelt. Die weiteste Verbreitung haben erdgekoppelte
Wärmepumpen zur Nutzung der oberflächennahen Erdwärme
Systeme zur Nutzung der in tieferen Erdschichten gespeicherten
Energie befinden sich noch in der Demonstrations- und Prototypenphase.
2. Oberflächennahe Systeme - Wärmepumpenheizungen
Bei der oberflächennahen Geothermie kommen i.d.R. erdgekoppelte
Wärmepumpen zum Einsatz, bei denen über Erdreichkollektoren
bzw. einzelne Erdwärmesonden die Wärmeenergie des Untergrundes
genutzt und an einen Heizkreislauf und/oder Warmwasserkreislauf
abgegeben wird. In einer Wärmepumpe wird die Wärme von einem
niedrigen Temperaturniveau (z.B. Erdwärme mit 8 °C) unter Zufuhr
von Energie (i.d.R. Strom) auf eine höhere, für Heizzwecke geeignete
Temperaturstufe (z.B. Heizwasser mit 45°C) überführt.
Wärmepumpen bestehen im Wesentlichen aus den vier Komponenten
Verdampfer, Verdichter, Kondensator und dem Drosselventil. Die
Wärme wird dabei über ein Arbeitsmittel mittels Wärmetauscher
an den Heizkreislauf überführt. Beim Arbeitsmittel handelt
es sich um eine schon bei niedrigeren Temperaturen siedende Flüssigkeit.
Mehr als 75% der benötigten Wärme kann für ein Haus
aus der Umwelt gewonnen werden. Das bedeutet, dass 1 kWh elektrischer
Energie mittels Wärmepumpe unter Nutzung von Umweltenergie 4 bis
4,5 kWh Heizenergie ergibt.
a) Verdampfer
Im ersten Schritt der Energiegewinnung mittels Wärmepumpen
wird Energie des Wärmeträgers (z.B. Erdreich) an das
flüssige, in den Kollektoren zirkulierende Arbeitsmittel
übertragen, das bei diesem Prozess verdampft.
b) Verdichter
Das Arbeitsmittel wird zur Wärmepumpe geführt und in
einem Kompressor unter Zufuhr elektrischer Energie verdichtet,
erhitzt und somit auf ein höheres Energieniveau gebracht.
c) Kondensator
Schließlich gelangt das heiße Arbeitsmittel in den
Kondensator, der von einem Heizwasserstrom umspült wird.
Dort wird die Wärme an das kältere Wasser über
einen Wärmetauscher an den Heiz- und/oder Warmwasserkreislauf
abgegeben. Das Arbeitsmittel wird dabei wieder verflüssigt.
d) Drosselventil
Das warme, flüssige Arbeitsmittel wird über ein Ventil
zurück zum Verdampfer transportiert. Dabei wird der Druck
abrupt gesenkt und die Temperatur nimmt ebenfalls schlagartig
ab. Im Verdampfer beginnt der Kreislauf mit dem nun wieder abgekühlten
Arbeitsmittel von vorne.
Quelle: Bremer Energie-Konsens
Typen von Wärmepumpen: weiter...
3. Hydrothermale Geothermie
Die hydrothermale Geothermie ist an das Vorkommen von warmen
bzw. heißem Tiefenwasser gebunden. Entsprechende Voraussetzungen
finden sich in Deutschland z.B. im norddeutschen Becken,
im nordalpinen Molassebecken sowie im Oberrheingraben.
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Schema der Erdwärmenutzung am Beispiel
Neustadt-Gleve
(Quelle: Erdwärme-Kraft GbR) |
Zur Nutzung der Wärmeenergie werden
i.d.R. zwei Bohrungen abgeteuft. Über eine Förderbohrung
wird dem Aquifer das Thermalwasser entnommen und über
eine Injektionsbohrung nach der Wärmeentnahme wieder
in den Untergrund reinjeziert. Dadurch soll sichergestellt
werden, dass der Druck im Aquifer erhalten bleibt und ein
Leerpumpen des Speichers verhindert wird. Die Wärmeübertragung
an das Heizsystem erfolgrt mittels Wärmetauscher, eine
weitere Auskühlung des Thermalwassers ist über
eine nachgeschaltete Wärmepumpe möglich. Die Weiterleitung
der Wärme an den Endverbraucher erfolgt über ein
Fern- bzw. Nahwärmenetz. Hydrothermale Heizzentralen
sind aufgrund der hohen Investitionskosten an große
Wärmeabnehmer / Wärmeverteilnetze gebunden, günstig
ist darüber hinaus auch die gleichzeitige Nutzung des
Thermalwassers für energetische und balneologische
Zwecke (Badbetrieb).
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4. Erdwärmenutzung mit tiefen Erdwärmesonden
An Standorten von Tiefbohrungen ohne die Möglichkeit
zum Aufschluss von Thermalwasser können tiefe Erdwärmesonden
eingesetzt werden.
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Dazu wird im Bohrloch eine doppelte Verrohrung installiert.
In den Raum zwischen äußerem und inneren Ring wird
ein flüsiges Wärmeträgermedium (z.B. Wasser)
eingebracht. Auf seinem Weg in den Untergrund erwärmt
sich die Flüssigkeit und gelangt in dem als Steigleitung
konzipierten inneren Rohres wieder an die Oberfläche.
Hier erfolgt über einen Wärmetauscher die Wärmeentnahme.
Die Kopftermperatur von tiefen Erdwärmesonden liegt i.d.R.
unter 40 °C, aus diesem Grund werden i.d.R. Wärmepumpen
zur weiteren Abkühlung des Wärmeträgermediums
nachgeschaltet. |
Quelle: Rödl & Partner |
5. Wärmenutzung / Stromerzeugung in HDR-Systemen
Im Mittelpunkt der Forschung steht bei der Hot-Dry-Rock-Technologie
(HDR) die Erzeugung von Strom aus geothermischer Energie. Bei
der HDR-Technologie erfolgt die Erschliessung der Wärme durch
die Schaffung eines künstlichen Wärmetauschersystems
in großer Tiefe. Die weltweit bislang durchgeführten
Projekte weisen Tiefen zwischen 2.200 und 5.000 m auf. Durch Einpressen
von Wasser mit hohem Druck werden die in der Tiefe bereits existierenden
Gesteinsklüfte erweitert. Auf diese Weise entsteht im warmen
Untergrund ein dreidimensionales, dauerhaftes Kluftsystem mit
feinstern Gesteinsrissen In diesen Wärmetauscher wird über
eine Verpressbohrung kaltes Wasser eingepresst. Während das
Gemisch aus vorhandenem Tiefenwasser und Einpresswasser das Kluftsystem
passiert, wird es vom warmen Gestein erwärmt und danach über
eine Förderböhrung wieder an die Oberfläche gepumpt.
In den bisherigen Pilotprojekten mit Tiefen von rd. 2.000 bis
5.000 m wurden Maximaltermperaturen des Wassers von 270 °C
erzielt. Damit ist ein Temperaturniveau erreich, dass eine Stromproduktion
mittels Turbinen ermöglicht.
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