Geothermie
Die Geothermie , oder Erdwärme , ist die im oberen (zugänglichen) Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme . Sie umfasst die in der Erde gespeicherte Energie, soweit sie entzogen und genutzt werden kann, und zählt zu den regenerativen Energien . Sie kann sowohl direkt genutzt werden, etwa zum Heizen und Kühlen im Wärmemarkt ( Wärmepumpenheizung ), als auch zur Erzeugung von elektrischem Strom oder in einer Kraft-Wärme-Kopplung . Geothermie bezeichnet sowohl die ingenieurtechnische Beschäftigung mit der Erdwärme und ihrer Nutzung, als auch die wissenschaftliche Untersuchung der thermischen Situation des Erdkörpers .
Ursprung geothermischer Energie
Geothermie stammt zum Teil (geschätzt: 30-50 Prozent) aus der Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung ( Akkretion ), zum anderen (geschätzt: 50-70 Prozent) aus radioaktiven Zerfallsprozessen , die in der Erdkruste seit Jahrmillionen kontinuierlich Wärme erzeugt haben und heute noch erzeugen. Ganz oberflächennah kommen Anteile aus der Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche und aus dem Wärmekontakt mit der Luft dazu.
Die Temperatur im inneren Erdkern beträgt nach verschiedenen Schätzungen 4500 °C bis 6500 °C. 99 Prozent unseres Planeten sind heißer als 1000 °C; 99 Prozent des Rests sind immer noch heißer als 100 °C. Fast überall hat das Erdreich in 1 Kilometer Tiefe eine Temperatur von 35 °C bis 40 °C (siehe auch Geothermische Tiefenstufe ). Unter besonderen geologischen Bedingungen - zum Beispiel in heutigen oder früheren Vulkan gebieten - entstehen geothermische Anomalien . Hier kann die Temperatur viele hundert Grad Celsius erreichen.
Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung
Die Erde ist vor zirka 4,6 - 4,7 Milliarden Jahren durch Akkretion von Materie entstanden. Hierbei erhitzt sich das Material, wobei kinetische Energie (Bewegungsenergie) in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärmeenergie hat sich wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der Gesteine und damit der geringen Wärmeabgabe an den Weltraum bis heute zum Teil erhalten und kann als Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung bezeichnet werden.
Radioaktive Zerfallsprozesse
Dieser Anteil der Geothermie geht auf den natürlichen Zerfall der im Erdkörper vorhandenen langlebigen radioaktiven Isotope wie z.B. Uran -235 und U-238, Thorium -232 und Kalium -40 zurück. Diese Elemente sind in die Kristallgitter bestimmter Minerale eingebaut, beispielsweise in die Feldspäte und Glimmer in Graniten. Es handelt sich um eine natürliche Form der Kernenergie .
Die Leistung , die aus dem radioaktiven Zerfall resultiert, beträgt etwa 16 · 10 12 Watt . Bei einem mittleren Erdradius von 6 371 km beträgt die geothermische Leistungsdichte des radioaktiven Zerfalls an der Erdoberfläche etwa 0,032 Watt (32 mW) pro Quadratmeter Erdoberfläche. Dies würde etwa die Hälfte des terrestrischen Wärmestroms ausmachen.
Wärmestrom aus dem Erdinneren
Die Wärme wird aus tieferen Teilen der Erde durch Wärmeleitung , also Konduktion, aber auch durch Konvektion in für die Nutzung erreichbare Tiefen transportiert.
Der terrestrische Wärmestrom, die von der Erde pro Quadratmeter an den Weltraum abgegebene Leistung, beträgt etwa 0,063 Watt/m² (63 mW/m²) ( Wärmestromdichte ). Dies ist ein relativ kleiner Wert und weist schon darauf hin, dass sich Geothermie vorwiegend zur dezentralen Nutzung eignet. In anomalen Gebieten, wie etwa vulkanischen , kann der Wärmefluss um ein Vielfaches größer sein.
Wegen der geringen Wärmestromdichte wird bei der Geothermienutzung vorwiegend nicht die aus dem Erdinneren nachströmende Energie, sondern die in der Erdkruste gespeicherte Energie genutzt. Eine Geothermienutzung muss dabei so dimensioniert werden, dass die Auskühlung des betreffenden Erdkörpers so langsam voranschreitet, dass in der Nutzungszeit der Anlage die Temperatur nur in einem Umfang absinkt, der einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage gestattet.
Geothermiequellen
Geothermie kann als Energiequelle zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt werden. Hierbei wird zwischen der Nutzung der
oberflächennahen Geothermie zur direkten Nutzung , meist zum Heizen und Kühlen ( Wärmepumpenheizung
tiefen Geothermie zur direkten Nutzung oder auch zur Stromerzeugung unterschieden.
Weiterhin wird zwischen Hoch- und Niedrigenthalpielagerstätten
Hochenthalpie-Lagerstätten
Die weltweite Stromerzeugung aus Geothermie wird durch die Nutzung von Hochenthalpie-Lagerstätten dominiert. Dies sind Wärmeanomalien, die mit vulkanischer Tätigkeit einhergehen. sind mehrere hundert Grad heiße Fluide (Wasser / Dampf) in geringer Tiefe anzutreffen. Ihr Vorkommen korreliert stark mit Vulkanen in den entsprechenden Ländern.
Land Anzahl der Vulkane Ressource MWeUSA 133 23.000 Japan 100 20.000 Indonesien 126 16.000 Philippinen 53 6.000 Mexiko 35 6.000 Island 33 5.800 Neuseeland 19 3.650 Italien (Toskana) 3 700 Abhängig von den Druck- und Temperaturbedingungen können Hochenthalpie-Lagerstätten mehr dampf- oder mehr wasserdominiert sein. Früher wurde der Dampf nach der Nutzung in die Luft entlassen, was zu erheblichem Schwefelgeruch führen konnte (Italien, Larderello ). Heute werden die abgekühlten Fluide in die Lagerstätte reinjiziert (zurückgepumpt). So werden negative Umwelteinwirkungen vermieden und gleichzeitig die Produktivität durch Aufrechterhalten eines höheren Druckniveaus in der Lagerstätte verbessert.
Niederenthalpie-Lagerstätten
In nichtvulkanischen Gebieten können die Temperaturen im Untergrund sehr unterschiedlich sein. In der Regel sind jedoch, wenn für die Nutzung höhere Temperaturen gebraucht werden, tiefe Bohrungen notwendig. Für eine wirtschaftliche Stromerzeugung sind Temperaturen über 100 °C erforderlich. Liegen diese in einem Aquifer vor, so kann aus diesem Wasser gefördert, abgekühlt und reinjiziert werden. Man spricht dann von Hydrothermaler Geothermie . Ist das Gestein, in dem die hohen Temperaturen angetroffen wurden, wenig permeabel , so dass aus ihm kein Wasser gefördert werden kann, so kann dort Wasser auf einem künstlichem Risssystem zirkuliert werden. Dieses Verfahren wird als Petrothermale Geothermie bezeichnet. Eine weitere Möglichkeit, bei der allerdings vergleichsweise wenig Energie extrahiert wird, ist eine tiefe Erdwärmesonde , wobei das Wasser nur innerhalb der Sonde zirkuliert (Geschlossenes System).
Generell werden im Bereich der tiefen Geothermie drei Arten der Wärmeentnahme aus dem Untergrund unterschieden:
Hydrothermale Systeme :
im Untergrund vorhandene Thermalwässer zirkulieren zwischen zwei Brunnen über vorhandene natürliche Grundwasserleiter ( Aquifere ).
Petrothermale Systeme, oft auch HDR -Systeme ( H ot- D ry- R ock) genannt: mit hydraulischen Stimulationsmaßnahmen werden im trockenen Untergrund Risse und Klüfte erzeugt, in welchen künstlich eingebrachtes Wasser zwischen zwei tiefen Brunnen zirkuliert. Tatsächlich ist die Annahme, bei diesen Temperaturen und Tiefen trockene Gesteinsformationen vorzufinden, nicht korrekt. Aus diesem Grund existieren auch verschiedene andere Bezeichnungen für dieses Verfahren: u. a. Hot-Wet-Rock (HWR), Hot-Fractured-Rock (HFR) oder Enhanced Geothermal System (EGS). Eine neutrale Bezeichnung ist Petrothermale Systeme.
Tiefe Erdwärmesonden :
das Wärmeträgermedium zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb einer Bohrung in einem U-Rohr oder einer Koaxialsonde.
Welches der in Frage kommenden Verfahren zum Einsatz kommt, ist von den geologischen Voraussetzungen am Standort, von der benötigten Energiemenge und dem geforderten Temperaturniveau der Wärmenutzung abhängig. Derzeit werden in Deutschland fast ausschließlich hydrothermale Systeme geplant. HDR-Verfahren befinden sich in den Pilotprojekten in Bad Urach und in Soultz-sous-Forêts im Elsass in der Erprobung. In SE-Australien (Cooper Basin, New South Wales) ist seit 2001 ein kommerzielles Projekt im Gange (Firma Geodynamics Limited).
Hydrothermale Systeme
Für die hydrothermale Geothermie werden in großen Tiefen natürlich vorkommende Thermalwasservorräte, sogenannte Heißwasser-Aquifere (wasserführende Schichten) angezapft. Die hydrothermale Energiegewinnung ist je nach Temperatur als Wärme oder Strom möglich.
Petrothermale Systeme
Gesteine in größerer Tiefe weisen eine hohe Temperatur auf (Hot Dry Rock). Diese Energie kann zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden. Um die Wärme dieser Gesteine nutzen zu können, müssen sie von einem Wärmeträger (Wasser) durchflossen werden, der die Energie anschließend an die Oberfläche bringt.
Oberflächennahe Geothermie
Die Temperaturen der Luft schwanken mit der Jahreszeit sehr stark. Innerhalb der oberen Schichten des Erdbodens werden diese Temperaturen jedoch nicht bzw. nur sehr stark gedämpft nachvollzogen. Aus mathematischer Sicht folgt der Temperaturverlauf einer harmonischen Schwingung. In 5 bis 10 m Tiefe entspricht die im Boden gemessene Temperatur praktisch der Jahresmitteltemperatur des Standortes (ca. 8 bis 10 °C in Deutschland).
Mittels Erdwärmesonden (vertikale oder schräge Bohrungen oder horizontal und oberflächennah ins Erdreich eingebrachte Systeme), aber auch mit erdgebundenen Beton-Bauteilen wird die Wärme an die Oberfläche gefördert. Meist kommen Wärmepumpen zum Einsatz, um Heiz-Anwendungen für Gebäude zu realisieren ( Wärmepumpenheizung ). Mit Erdwärme kann im Sommer aber auch gekühlt werden.
Saisonale Wärmespeicher
Geothermie steht immer, also unabhängig von der Tages- und Jahreszeit und auch unabhängig vom Wetter zur Verfügung. Optimal wird eine Anlage, in der das oberflächennahe Temperaturniveau genutzt werden soll, dann arbeiten, wenn sie auch zeithomogen genutzt wird. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn im Winter mit Hilfe einer Wärmepumpe das oberflächennahe Temperaturniveau von ca. 10°C zum Heizen genutzt wird und sich dabei entsprechend absenkt und im Sommer dann dieses Reservoir zur direkten Kühlung benutzt wird. Beim Kühlen im Sommer ergibt sich dabei eine Erwärmung des oberflächennahen Reservoirs und damit dessen teilweise oder vollständige Regeneration. Im Idealfall sind beide Energiemengen gleich. Der Energieverbrauch des Systems besteht dann im Wesentlichen aus der Antriebsleistung für die Wärme- bzw. Umwälzpumpe.
Verstärkt wird diese Funktion, wenn Geothermie mit anderen Anlagen z. B. Solarthermie kombiniert wird. Solarthermie stellt Wärme vorwiegend im Sommer zur Verfügung, wenn sie weniger gebraucht wird. Durch Kombination mit Geothermie lässt sich diese Energie im Sommer in den unterirdischen Wärmespeicher einspeisen und im Winter wieder abrufen. Die Verluste sind standortabhängig, aber in der Regel gering.
Saisonale Speicher können sowohl oberflächennah, als auch tief ausgeführt werden. Sogenannte Hochtemperatur-Speicher (> 50 °C) sind allerdings nur in größerer Tiefe denkbar. Beispielsweise verfügt das Reichstagsgebäude über einen derartigen Speicher.
Nutzung von Erdwärme
Die Geothermie ist eine langfristig nutzbare Energiequelle. Mit den Vorräten, die in unserem Planeten gespeichert sind, könnte im Prinzip, rechnerisch und theoretisch der derzeitige weltweite Energiebedarf für über 100.000 Jahre gedeckt werden.
Bei der Nutzung der Geothermie unterscheidet man zwischen Direkter Nutzung, also der Nutzung der Wärme selbst und der Nutzung nach Umwandlung in Strom in einem Geothermiekraftwerk. Aus der Sicht der Optimierung von Wirkungsgraden sind auch hier Kraft-Wärme-Kopplungen
Die Wärmepumpe
Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Zufuhr von technischer Arbeit Wärme von einem niedrigerem zu einem höheren Temperaturniveau pumpt. Bei der Wärmepumpe wird die auf dem hohen Temperaturniveau anfallende Verflüssigungswärme z.B. zum Heizen genutzt. Dagegen wird bei der Kältemaschine die Abkühlung eines Kältemittels beim Entspannen und Verdampfen genutzt wird, um ein Fluid abzukühlen.
Die Wärmepumpe und die Kältemaschine stellen die technische Anwendung des selben thermodynamischen Kreisprozesses , der Umkehrung der Wärmekraftmaschine , dar, der auch als Kraftwärmemaschine bezeichnet wird. Den reversibelen Grenzfall der Kraftwärmemaschine ist der linksläufige Carnotprozess
Leistungszahl
Die Leistungszahl von Wärmepumpen wird in der aktuellen Literatur als Coefficient Of Performance COP bezeichnet; in der älteren Literatur wird die das griechische Zeichen e verwendet. Für Kompressions-Wärmepumpen ist der COP der Quotient aus der Wärme, die in den Heizkreis abgegeben wird, zur elektrischen Arbeit die für den Verdichter aufgewendet wird
Eine Leistungszahl COP 4 bedeutet, dass das Vierfache der eingesetzten elektrischen Leistung als nutzbare Wärmeleistung zur Verfügung steht.
Der COP einer Wärmepumpe ist bedingt durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt durch den Kehrwert des Carnotwirkungsgrads :
Für die Temperaturen sind die absoluten Werte in der Einheit „Kelvin“ einzusetzen.
Der technisch realisierte Carnotwirkungsgrad ? cWP einer Wärmepumpge gibt den Exergieanteil des Wärmestroms zwischen den Temperaturen T warm und T kalt bezogen auf die eingesetzte elektrische Antriebsernergie an:
Es werden praktische Carnotwirkungsgrade ? cWP um 0,45 technisch erreicht.
Beispiel:
Das untere Temperaturniveau einer Wärmepumpe, die Temperatursenke liegt bei 10°C (= 283,15 K) und die Nutzwärme wird bei 50°C (= 323,15 K) übertragen. Bei einem theoretischen reversiblen Prozess, der Umkehrung des Carnotprozesses, würde der COP bei 8,1 liegen. Technisch erreichbar ist bei den Temperaturniveaus ein COP von 3,5. Mit einer Energieeinheit Exergie, die als technische Arbeit bzw. elektrische Leistung eingebracht wird, können 2,5 Einheiten Anergie aus der Umgebung auf das hohe Temperarturniveau gepumpt werden, so dass 3,5 Energieeinheiten als Wärme bei 50°C genutzt werden können. In der Gesamtbetrachtung muss aber der exergetische Kraftwerkswirkungsgrad berücksichtigt werden, der bei ca. 33 % liegt. Der thermische Gesamtwirkungsgrad bezogen auf den Primärenergieaufwand zur Nutzwärme beträgt dann 1,15; somit erhält man praktisch nur einen geringfügig höheren Wirkungsgrad wie für den Fall der direkten Wärmenutzung.
Bauformen der Wärmepumpe
Die Kompressions-Wärmepumpe nutzt den physikalischen Effekt der Verdampfungswärme. In ihr zirkuliert ein Kältemittel in einem Kreislauf, das, angetrieben durch einen Kompressor, die Aggregatzustände flüssig und gasförmig abwechselnd annimmt.
Die Absorptions-Wärmepumpe nutzt den physikalischen Effekt der Reaktionswärme bei Mischung zweier Flüssigkeiten bzw. Gase. Sie verfügt über einen Lösungsmittelkreis und einen Kältemittelkreis. Das Lösungsmittel wird im Kältemittel wiederholt gelöst bzw. ausgetrieben.
Die Adsorptions-Wärmepumpe arbeitet mit einem festen Lösungsmittel, dem "Adsorbens", an dem das Kältemittel ad- bzw. desorbiert wird. Dem Prozess wird Wärme bei der Desorption zugeführt und bei der Adsorption entnommen. Da das Adsorbens nicht in einem Kreislauf umgewälzt werden kann, kann der Prozess nur diskontinuierlich ablaufen, indem zwischen Ad- und Desorption zyklisch gewechselt wird.
Elektrisch angetriebene Kompressions-Wärmepumpe
Die elektrisch angetriebene Kompressions-Wärmepumpe stellt den Hauptanwendungsfall von Wärmepumpen dar. Das Kältemittel wird in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Es wird von einem Verdichter angesaugt, verdichtet und dem Verflüssiger zugeführt. Der Verflüssiger ist ein Wärmeübertrager in dem die Verflüssigungswärme an ein Fluid - z. B. ein Warmwasserkreis oder die Raumluft - abgegeben wird. Das verflüssigte Kältemittel wird dann zu einer Entspannungseinrichtung geführt (Kapillarrohr oder thermisches Expansionsventil) geleitet. Durch die adiabate Entspannung wird das Kältemittel abgekühlt. Der Saugdruck wird durch die Regelung des Verdichters in der Wärmepumpe so eingestellt, dass die Sattdampftemperatur des Kältemittels unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. In dem Verdampfer wird somit Wärme von der Umgebung an das Kältemittel übertragen und führt zum Verdampfen des Kältemittels. Als Wärmesenke kann die Umgebungsluft oder ein Solekreis genutzt werden, der die Wärme aus dem Erdreich aufnimmt. Das verdampfte Kältemittel wird dann von dem Verdichter angesaugt. Aus dem oben beschriebenen Beispiel ist ersichtlich, dass durch Einsatz der elektrisch betriebenen Wärmepumpe bei dem vorausgesetzten Temperaturniveau kein wesentlich höherer thermischer Wirkungsgrad gegenüber der konventionellen Direktbeheizung möglich ist. Das Verhältnis verbessert sich zugunsten der elektrisch angetriebenen Wärmepumpe, wenn Abwärme auf hohem Temperaturniveau als untere Wärmequelle genutzt werden kann oder die Geothermie auf hohem Temperaturniveau unter Verwendung geeigneter Erdwärmeübertrager genutzt werden kann.
Wärmepumpe mit Öl- oder Gasmotorantrieb
Ein deutlich höherer thermischer Wirkungsgrad kann erreicht werden, wenn die Primärenergie als Gas oder Öl in einem Motor zur Erzeugung technischer Arbeit zum direkten Antrieb des Wärmepumpenverdichters genutzt werden kann. Bei einem exergetischen Wirkungsgrad des Motors von 35 % und einer Nutzung der Motorabwärme zu 90 % kann ein gesamtthermischer Wirkungsgrad von 1,8 erzielt werden. Allerdings muss der erhebliche Mehraufwand gegenüber der direkten Beheizung berücksichtigt werden, der durch wesentlich höhere Investitionen und Wartungsaufwand begründet ist.
