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Lexikon - Begriffe - FAQ
Von E wie Erdwärme bis W wie Wärmepumpe, Begriffserklärungen finden Sie auf dieser Seite.
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Unser Lexikon:
 | Brennwert |
Der Brennwert Hs (veraltet kalorischer Brennwert oder oberer Heizwert Ho) ist ein Maß für die spezifisch je Bemessungseinheit in einem Stoff enthaltene thermische Energie. Der Brennwert ist identisch mit der Standardverbrennungsenthalpie ?VH° der allgemeinen Thermodynamik.
Der Brennwert eines Brennstoffes gibt die Wärmemenge an, die bei Verbrennung und anschließender Abkühlung der Verbrennungsgase auf 25 °C, erzeugt wird.
Der Brennwert berücksichtigt sowohl die notwendige Energie zum Aufheizen der Verbrennungsluft und der Abgase, als auch die Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser. Im Gegensatz dazu bezeichnet der Heizwert (ehem. „unterer Heizwert“) die nutzbare Wärmemenge bei Freisetzung heißer Abgase. Der Heizwert von wasserstoffreichen Brennstoffen ist deshalb deutlich geringer.
| Erdwärme & Geothermie |
Die Geothermie oder auch Erdwärme ist die im 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.
Geothermie ( Erdwärme) 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; ca. 90 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 Vulkangebieten – entstehen geothermische Anomalien. Hier kann die Temperatur viele hundert Grad Celsius erreichen.
| Erdwärmesonden |
Erdwärmesonden sind in Tiefenbohrungen eingebrachte Rohrbündel (Erdsonden). Die Tiefe einer Bohrung variiert nach dem geologischen Aufbau des Untergrundes und wird für den normalen Wohnungsbau > 50 m durchgeführt (bis zu 400 m, je nach lokalen Gegebenheiten und Leistungsanforderung).
Ab einer Tiefe von ungefähr 10 Metern bleibt die Temperatur über das Jahr praktisch unverändert. Durch eine spezielle Trägerflüssigkeit (Sole, häufig Wasser, gelegentlich mit etwas Glykol als Frostschutz) wird die Erdwärme zur Wärmepumpe transportiert und dann auf das entsprechend erforderliche Niveau gehoben. Diese Variante der Nutzung von Erdwärme hat einen hohen Wirkungsgrad.
| Erdwärmekollektoren |
Erdwärmekollektoren sind meist aus Kunststoffrohren bestehende Wärmeübertrager, die horizontal im Erdreich liegen. Sie werden mindestens 20 cm unterhalb der örtlichen Frostgrenze, also in 1 bis 1,5 m Tiefe mäanderförmig - ähnlich einer Fußbodenheizung - mit einem Rohrabstand von 0,5 bis 0,8 m verlegt. In einem geschlossenen System zirkuliert ein Wasser-Glykol-Gemisch als Wärmeträger. Die aus dem Erdreich entnommene, von der Sonne eingestrahlte Wärme wird über das Trägermedium der Wärmepumpe zugeführt.
| Geothermiequellen |
Geothermie kann als Energiequelle zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt werden. Hierbei wird zwischen der Nutzung der oberflächennahen Geothermie zur direkten Nutzung, etwa zum Heizen und Kühlen, meist als Wärmepumpenheizung, und der tiefen Geothermie zur direkten Nutzung im Wärmemarkt oder auch indirekt zur Stromerzeugung unterschieden. Weiterhin wird zwischen Hoch- und Niedrigenthalpielagerstätten unterschieden. Hochenthalpie bedeutet, dass derartige Lagerstätten eine hohe Temperatur bereitstellen.
| Geothermische Tiefenstufe |
Die geothermische Tiefenstufe ist die Tiefe, in der sich die Erdkruste um ein Grad Celsius erwärmt, und steht damit für den Temperaturgradienten derselben. Eine solche Erwärmung erfolgt durchschnittlich alle 33 Meter, wobei man aufgrund dessen auch oft einen Gradienten von 3 °C pro 100 Meter angibt.
Es treten jedoch erhebliche Abweichungen von diesem Mittelwert auf, so zum Beispiel auf der Schwäbischen Alb mit 11 Metern oder in Südafrika mit 125 Metern. Diese Abweichungen sind unter anderem durch die örtlich variierende Mineralogie, Geologie, Morphologie und besonders vulkanische Aktivität bedingt. Hervorgerufen werden die höheren Temperaturen durch höheren Oberflächenwärmefluss. Die Wärme im Erdinnern stammt zu 50-70 Prozent aus radioaktiven Zerfallsprozessen im Erdmantel und Erdkern und zu 30-50 Prozent aus der aufsteigenden Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung.
Die geothermische Tiefenstufe ist zum Beispiel für die Geothermie, aber auch für jede Art von Tiefbohrungen relevant. In vulkanisch aktiven Gebieten ist sie besonders klein, wobei es jedoch im Bereich von Subduktionszonen in größeren Tiefen auch zu einer Inversion des Temperaturgradienten kommen kann.
Die geothermische Tiefenstufe wurde erstmals 1867 in der Bohrung Sper I/1867, die in den Sperenberger Salzstock abgeteuft wurde, bestimmt.
| Geothermie aus Tunneln |
Zur Gewinnung thermischer Energie aus Tunnelbauwerken wird auch austretendes Tunnelwasser genutzt, welches ansonsten aus Umweltschutzgründen in Abkühlbecken zwischengespeichert werden müsste, bevor es in örtliche Gewässer abgeleitet werden darf. Die erste solche bekannte Anlage wurde 1979 in der Schweiz beim Südportal des Gotthard-Straßentunnels in Betrieb genommen. Sie versorgt den Autobahnwerkhof von Airolo mit Wärme und Kälte. Weitere Anlagen sind zwischenzeitlich dazugekommen, welche vor allem Warmwasser aus Bahntunneln nutzen. Beim Nordportal des im Bau befindlichen Gotthard-Basistunnels tritt bereits heute Tunnelwasser mit Temperaturen zwischen 30 und 34 °C aus. Es soll bald in einem Fernwärmenetz genutzt werden. Das Tunnelwasser des neuen Lötschberg-Bahntunnels wird für eine Störzucht und für ein Tropenhaus verwendet.
In Österreich wurde ein Verfahren entwickelt, um die Wärme aus Tunneln mittels eines Transportmediums zu nutzen, welches in eingemauerten Kollektoren zirkuliert. Für konventionell vorgetriebene Tunnel wurde das Prinzip unter dem Namen TunnelThermie bekannt. Durch die großen, erdberührten Flächen stellt diese relativ junge Technologie ein hohes Nutzungspotenzial besonders in innerstädtischen Tunnelbauwerken dar.
In Deutschland wurde ein Verfahren entwickelt, um Geothermie auch in maschinell vorgetriebenen Tunneln zu nutzen. Dazu sind Kollektoren in Betonfertigteile (sog. Tübbinge), die die Schale eines Tunnels bilden, eingebaut (Energietübbing genannt). Da innerstädtische Tunnel in schwierigen geologischen Verhältnissen häufig im Schildvortrieb aufgefahren werden, bietet der Energietübbing die Möglichkeit, auch entlang dieser Strecken das geothermische Potenzial des Erdreichs zu nutzen
| Geothermie aus Bergbauanlagen |
Bergwerke und ausgeförderte Erdgaslagerstätten, die wegen der Erschöpfung der Vorräte stillgelegt werden, sind denkbare Projekte für Tiefengeothermie. Dies gilt eingeschränkt auch für tiefe Tunnelbauwerke. Die dortigen Formationswasser sind je nach Tiefe der Lagerstätte 60 bis 120 °C heiß, die Bohrungen oder Schächte sind oft noch vorhanden und könnten nachgenutzt werden, um die warmen Lagerstättenwässer einer geothermischen Nutzung zuzuführen.
Derartige Anlagen zur Gewinnung der geothermischen Energie müssen so in die Einrichtungen zur Verwahrung des Bergwerks integriert werden, dass die öffentlich rechtlich normierten Verwahrungsziele, das stillgelegte Bergwerk (§ 55 Absatz 2 Bundesberggesetz und § 69 Abs. 2 Bundesberggesetz) gefahrenfrei zu halten, auch mit den zusätzlichen Einrichtungen erfüllt werden.
| Gamma Ray (GR) Messung |
Gamma Ray (GR) Messung: Bohrlochmessgerät zur Messung der radioaktiven Strahlung der Bodenschichten / Gebirges. Dient vor allem zur Tiefeneinordnung von verschiedenen Boden oder Gesteinshorizonten
| Heizlast |
Unter Heizlast versteht man in der Bautechnik die zum Aufrechterhalt einer bestimmten Raumtemperatur notwendige Wärmezufuhr, sie wird in Watt angegeben. Die Heizlast richtet sich hierbei nach der Lage des Gebäudes, der Bauweise der wärmeübertragenden Gebäudeumfassungsflächen und dem Bestimmungszweck der einzelnen Räume. Nach ihr richtet sich die Notwendigkeit von Wärmeschutzmaßnahmen und die Auslegung der Heizungsanlage. Die Ermittlung der Heizlast ist in Deutschland in der DIN EN 12831 standardisiert. Für bestehende Gebäude lässt sich die Heizlast genauer und einfacher mittels statistischer Verfahren ermitteln als es mit bauphysikalischen Methoden möglich ist.
| Hochenthalpie-Lagerstätten |
Hochenthalpie-Lagerstätten: Die weltweite Stromerzeugung aus Geothermie wird durch die Nutzung von Hochenthalpie-Lagerstätten dominiert. Dies sind Wärmeanomalien, die mit vulkanischer Tätigkeit einhergehen. Dort sind mehrere hundert Grad heiße Fluide (Wasser / Dampf) in geringer Tiefe anzutreffen. Ihr Vorkommen korreliert stark mit Vulkanen in den entsprechenden Ländern.
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.
Das heiße Fluid kann zur Bereitstellung von Industriedampf und zur Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen genutzt werden. Besonders interessant ist die Erzeugung von Strom aus dem heißen Dampf. Hierfür wird das im Untergrund erhitzte Wasser genutzt, um eine Turbine anzutreiben. Der geschlossene Kreislauf im Zirkulationssystem steht so unter Druck, dass ein Sieden des eingepressten Wassers verhindert wird und der Dampf erst an der Turbine entsteht (Flush-Verfahren).
| Hydrothermale Geothermiesysteme |
Liegen entsprechende Temperaturen in einem Aquifer vor, so kann aus diesem Wasser gefördert, abgekühlt und reinjiziert werden: Im Untergrund vorhandene Thermalwässer zirkulieren zwischen zwei Brunnen über vorhandene natürliche Grundwasserleiter. Hydrothermale Energie ist je nach vorliegender Temperatur zur Wärme- oder Stromgewinnung nutzbar. Die für hydrothermale Geothermie brauchbaren Horizonte können im Geothermischen Informationssystem ersehen werden. Außerdem stellt dieses Informationssystem diverse Auswertemechanismen hinsichtlich der nutzbaren Aquifere und Temperaturen zur Verfügung.
| Heizwert |
Der Heizwert (umgangssprachlich unpräzise „Energiegehalt“ oder „Energiewert“ genannt) ist die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge, bei der es nicht zu einer Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes kommt, bezogen auf die Menge des eingesetzten Brennstoffs (in Unterscheidung zum Brennwert).
| Jahresarbeitszahl (JAZ) |
Die Jahresarbeitszahl (JAZ) von Wärmepumpen ist der Quotient aus erzeugter Kilowattstunde (kWh) Wärme ( Heizarbeit ) und eingesetzter kWh Strom ( Antriebsarbeit ) unter Einbeziehung der Hilfsenergie ( Regelung, Steuerung, Heizstab, Solepumpe, Lüfter, Abtauung ) mit Ausnahme der Energie für die Heizungsumwälzpumpe.
| Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) |
Bei einer mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) betriebenen Energiewandlungsanlage wird sowohl die bei der chemischen oder physikalischen Umwandlung von Energiequellen entstehende Wärme als auch die durch die Energieumwandlung erzeugte elektrische Energie zu weiten Teilen genutzt.
Das Spektrum der elektrischen und thermischen Leistung von KWK-Anlagen reicht von wenigen Kilowatt bis zu mehreren hundert Megawatt. Seit ca. 10 Jahren kommen zunehmend etwa waschmaschinengroße, so genannte Mikro-KWK-Anlagen für den Einsatz in Einfamilienhäusern, Wohngebäuden, kleineren Gewerbebetrieben und Hotels auf den Markt. Die mit 700 MW elektrischer Leistung zur Zeit größte KWK-Anlage Europas steht in England. Damit stehen heute für das gesamte Spektrum des Wärmebedarfs KWK-Lösungen zur Verfügung.
Im Gegensatz zu thermischen Wärmekraftwerken, die nur auf Stromproduktion ausgelegt sind, wird bei KWK-Anlagen durch die gleichzeitige Abgabe von Strom und Wärme ein sehr viel höherer Nutzungsgrad (bis zu 90 Prozent) erreicht, wodurch Brennstoff eingespart werden kann, wenn Abnehmer der Wärme zur Verfügung stehen, wie z. B. in Form eines Fernwärmenetzes. Bei den mit Wasserdampf als Betriebsmedium arbeitenden Heizkraftwerken der öffentlichen Versorgung - das sind in der Regel Entnahme-Kondensationsanlagen - geht diese Steigerung des Nutzungsgrades allerdings mit einer Verringerung der Stromproduktion einher, da die Enthalpiedifferenz des Wasserdampfes nicht vollständig in der Dampfturbine genutzt werden kann. Im Gegensatz dazu wird bei Kraftwerken ohne Kraft-Wärme-Kopplung die Restwärme über den Kondensator und Kühlturm an die Umwelt abgegeben. Im Vergleich zu den derzeit besten Technologien der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme erzielen KWK-Anlagen Primärenergieeinsparungen von ca. 10 bis 25 %.
| Konvektion |
Konvektion (von lat. convehere = mittragen, mitnehmen) ist, neben den konkurrierenden Methoden Wärmeleitung und Wärmestrahlung, ein Mechanismus zur Wärmeübertragung von thermischer Energie von einem Ort zu einem anderen. Konvektion ist stets mit dem Transport von Teilchen verknüpft, die thermische Energie mitführen. In Festkörpern oder im Vakuum kann es folglich keine Konvektion geben. Konvektion tritt bei Fluiden auf, also in Gasen oder Flüssigkeiten
| Leistungszahl (COP) |
Die Leistungszahl von Wärmepumpen wird in der aktuellen Literatur als Coefficient Of Performance COP bezeichnet; in der älteren Literatur wird 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:
Die Leistungszahl ist immer auf ein bestimmtes unteres und oberes Temperaturniveau bezogen. Daher müssen bei dem Vergleich des COPs verschiedener Anlagen auch die gleichen Temperaturniveaus vorausgesetzt werden. Da der Wirkungsgrad und Liefergrad von Verdichtern auch lastabhängig ist, muss diese Größe auch bei der Auslegung berücksichtigt werden.
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 Wärmepumpe gibt den Exergieanteil des Wärmestroms zwischen den Temperaturen Twarm und Tkalt bezogen auf die eingesetzte elektrische Antriebsenergie an. Es werden praktische Carnotwirkungsgrade ?cWP um 0,45 technisch erreicht.
| Mineralöl |
Als Minaeralöl bezeichnet man die bei der Destillation in Raffinerien z.B. aus Braunkohle, Steinkohle, Erdöl und auch aus anderen mineralischen Rohstoffen hergestellten Produkte, wie zum Beispiel Heizöl, Benzin, Schmieröle, Kerosin und ähnliche Produkte.
| Niederenthalpie-Lagerstätten |
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 als sie mit flachen Bohrungen zu erschließen sind, 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 in einem künstlichen 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 (Hot-Dry-Rock) genannt: mit hydraulischen Stimulationsmaßnahmen werden im trockenen Untergrund Risse und Klüfte erzeugt, in welchen künstlich eingebrachtes Wasser oder superkritisches CO2 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 und in Basel in der Erprobung. In SE-Australien (Cooper Basin, New South Wales) ist seit 2001 ein kommerzielles Projekt im Gange (Firma Geodynamics Limited).
| 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 Bohrungen), Erdwärmekollektoren (horizontal und oberflächennah ins Erdreich eingebrachte Systeme) oder Erdwärmekörben,[4] aber auch mit erdgebundenen Beton-Bauteilen wird die Wärme an die Oberfläche befördert. Meist kommen Wärmepumpen zum Einsatz, um Heiz-Anwendungen für Gebäude zu realisieren (Wärmepumpenheizung). Vor allem im Sommer kann mit einer Wärmepumpenheizung auch gekühlt werden, während im Winter sehr viel Heizmaterial eingespart werden kann.
| Petrothermale Geothermie-Systeme |
werden oft auch als HDR-Systeme (Hot-Dry-Rock) bezeichnet: Ist das Gestein, in dem die hohen Temperaturen angetroffen wurden, wenig permeabel, so dass aus ihm kein Wasser gefördert werden kann, so kann dort ein künstlich eingebrachtes Wärmeträgermedium (Wasser oder auch CO2) zwischen zwei tiefen Brunnen in einem künstlich erzeugten Risssystem zirkuliert werden: zunächst wird Wasser mit (mindestens einer) Injektions- bzw. Verpressbohrung in das Kluftsystem eingepresst unter einem Druck, welcher so weit über dem petrostatischen Druck liegen muss, dass die minimale Hauptspannung in der jeweiligen Teufenlage überschritten wird, in das Gestein gepresst (hydraulische Stimulation); hierdurch werden Fließwege aufgebrochen oder vorhandene aufgeweitet und damit die Durchlässigkeit des Gesteins erhöht. Dieses Vorgehen ist notwendig, da sonst die Wärmeübertragungsfläche und die Durchgängigkeit zu gering wären. Anschließend bildet dieses System aus natürlichen und künstlichen Rissen einen unterirdischen, geothermischen Wärmeübertrager. Durch die zweite, die Produktions- oder Förderbohrung, wird das Trägermedium wieder an die Oberfläche gefördert.
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). Als neutrale Bezeichnung wird der Begriff petrothermale Systeme verwendet
| Solarthermie |
In der Solarthermie wird die thermische Energie der Sonnenstrahlung nutzbar gemacht.
Bei der passiven Nutzung in der Architektur erwärmt die Sonne direkt, also ohne technische Apparate, ein Gebäude z. B. durch entsprechend ausgerichtete Fensterflächen oder durch sogenannte Transparente Wärmedämmung, bei der das Sonnenlicht die äußerste Dämmschicht durchdringen kann und so die dahinter liegende Mauer erwärmt.
Von aktiver Nutzung spricht man dann, wenn entsprechend konstruierte Absorberflächen Sonnenwärme sammeln und diese mit Hilfe eines Mediums z. B. zu einem Wärmespeicher transportiert wird. Im Haushalt findet die Sonnenwärme vorwiegend zur Erwärmung von Wasser und der Raumluft bzw. den Räumen Verwendung. In der Industrie ist darüber hinaus noch die Umwandlung in chemische Energie, elektrische Energie und mechanische Energie anzutreffen. Zunehmend werden solar betriebene Absorptionskältemaschinen für die Gebäudeklimatisierung eingesetzt.
| Saisonale Wärmespeicher |
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.
| Sperrzeiten |
Bei Nutzung eines günstigen Heizstromtarifs können die Energieversorger die Wärmepumpen zu Zeiten hohen Gesamtenergiebedarfs aus dem Stromnetz, beispielsweise Vormittags und am Frühabend, nach den Technischen Anschlussbedingungen (TAB) bis zu dreimal täglich für je zwei Stunden (auch ferngesteuert) abschalten.
Allerdings können viele Energieversorgungsunternehmen (EVU) von dieser Möglichkeit nach unten abweichen, da sie die Sperrzeiten mittels der Rundsteuerempfänger bezogen auf die tatsächliche Last steuern.
Die Sperrzeiten sind dann relativ kurz, so dass ein erhöhter technischer Aufwand (beispielsweise Pufferspeicher) für eine Sperrzeitüberbrückung in der Regel nicht notwendig wird.
Pufferspeicher sind für die Überbrückung von Sperrzeiten auch nur bedingt einsetzbar, da für die Abschaltzeit der Wärmepumpe vom EVU kein Vorsignal gegeben wird. Daher könnte der Temperaturfühler im Pufferspeicher bei Eintritt der Sperrzeit gerade das „Ein“-Signal zum Anlauf der WP geben. Tritt dieser Fall ein, befindet sich im Pufferspeicher kein oder nur ein geringes nutzbares Temperaturgefälle. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Gebäude durch eine Sperrzeit abkühlt, ist relativ gering, aber in begrenztem Umfang möglich (Abkühlung 1–2 K).
Ein Gebäude mit nur wenig Speichermassen kühlt schneller aus als eines mit großen Speichermassen;
ein schlecht isoliertes Gebäude kühlt schneller aus als ein gut isoliertes;
ein großes Gebäude kühlt langsamer aus als ein kleines (bessere Relation von Gebäudeoberfläche zu umbautem Raum).
| Thermal Response Test |
Der Thermal Response Test ist ein international bewährtes Verfahren zur Bestimmung thermischer Untergrundparameter. Dabei wird eine fertig ausgebaute (und im späteren Sondenfeld verwendbare) Erdwärmesonde mit einem definierten Wärmeeintrag über einen Zeitraum von meist 72 Stunden belastet und somit der Untergrund zu einer Temperaturantwort („response“) angeregt. Diese Reaktion ist charakteristisch für dort anstehenden Gesteine und lässt die Berechnung der effektiven Wärmeleitfähigkeit im weiteren Umfeld der Sonde zu.
Zusätzlich können mit dem Test die ungestörte Untergrundtemperatur und der thermische Bohrlochwiderstand bestimmt werden. Diese drei spezifischen Werte sind die wichtigsten Eingangsparameter in Simulationsprogramme (wie beispielsweise „EED“ Earth Energy Designer) zur Berechnung des thermischen Verhaltens von Erdwärmesondenfeldern.
| Tiefe Geothermie |
Mit zunehmender Tiefe in der Erdkruste steigt die Temperatur an. Im Durchschnitt beträgt die Temperaturerhöhung 35 K bis 40 K pro Kilometer Eindringtiefe (geothermische Tiefenstufe). Dieser Wert schwankt regional jedoch oft stark. Abweichungen vom Standard werden als Wärmeanomalien bezeichnet. Interessant sind besonders Gebiete mit deutlich höheren Temperaturen. Hier können die Temperaturen schon in geringer Tiefe mehrere hundert Grad betragen. Derartige Anomalien sind häufig an Vulkanaktivität geknüpft. In der Geothermie gelten sie als hochenthalpe Lagerstätten. Sie werden weltweit zur Stromerzeugung genutzt.
| Tiefe Erdwärmesonden |
Hier wird vergleichsweise wenig Energie extrahiert: eine tiefe Erdwärmesonde ist ein geschlossenes System zur Erdwärmegewinnung. Sie besteht aus einer 2000 bis 3000 m tiefen Bohrung, in der ein Fluid zirkuliert. In der Regel ist das Fluid in einem koaxialen Rohr eingeschlossen: Im Ringraum der Bohrung fließt das kalte Wärmeträgerfluid nach unten, um anschließend in der dünneren eingehängten Steigleitung erwärmt wieder aufzusteigen. Derartige Erdwärmesonden haben gegenüber offenen Systemen den Vorteil, dass kein Kontakt zum Grundwasser besteht. Sie sind an jedem Standort möglich. Ihre Entzugsleistung hängt neben technischen Parametern von den Gebirgstemperaturen und den Leitfähigkeiten des Gesteins ab. Sie wird jedoch nur einige hundert kW betragen und somit wesentlich kleiner sein als bei einem vergleichbaren offenen System. Dies liegt daran, dass die Wärmeübertragungsfläche mit dem Gebirge sehr klein ist, da sie nur der Mantelfläche der Bohrung entspricht.
Tiefe Erdwärmesonden wurden beispielsweise 2005 in Aachen (SuperC der RWTH Aachen) und Arnsberg (Freizeitbad Nass) gebaut.
Alternativ zur Zirkulation von Wasser (eventuell mit Zusätzen) in der Erdwärmesonde sind auch Sonden mit Direktverdampfern (Wärmerohre oder aus dem Englischen Heatpipes) vorgeschlagen worden. Als Arbeitsmittel kann entweder eine Flüssigkeit mit einem entsprechend niedrigen Siedepunkt verwendet werden, oder ein Gemisch beispielsweise aus Ammoniak und Wasser. Eine derartige Sonde kann auch unter Druck und dann beispielsweise mit Kohlendioxid betrieben werden. Heatpipes können eine höhere Entzugsleistung erreichen als konventionelle Sonden, da sie auf ihrer gesamten Länge die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels haben können. Tiefe Erdwärmestichsonden bis 3000 mtr. sind mit einem Luftpolsterisolierverfahren auszustatten, da hierbei eine erhebliche Wärmeenergiemenge eingespart wird.[3] Dies kann zu einer höheren Energieausbeute führen oder es kann eine geringere Bohrtiefe bei gleicher Leistung zur wesentlichen Kostenminderung beitragen. Das Isolierkappensystem ist einfach herzustellen und bietet eine dauerhafte Lösung dieses Problems.
| Wärmepumpe |
Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Zufuhr von technischer Arbeit Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturniveau pumpt. Bei der Wärmepumpe wird die auf dem hohen Temperaturniveau anfallende Verflüssigungswärme z. B. zum Heizen genutzt (Wärmepumpenheizung). Dagegen wird bei der Kältemaschine die Abkühlung eines Kältemittels beim Entspannen und Verdampfen genutzt, um ein Fluid abzukühlen.
Die Wärmepumpe und die Kältemaschine stellen die technische Anwendung des selben thermodynamischen Kreisprozesses, der Umkehrung der Wärmekraftmaschine, dar. Der Wärmepumpenprozess, nach Rudolf Plank Plank-Prozess genannt, wird auch als Kraftwärmemaschine bezeichnet. Der Grenzfall einer reversibel arbeitenden Kraftwärmemaschine ist der linksläufige Carnotprozess.
| Wärmepumpenheizung |
Zur Beheizung von Gebäuden werden im unteren Leistungsbereich meist Elektro-Kompressions-Wärmepumpen verwendet, bei höheren Leistungen auch Gasmotorwärmepumpen. Verwendet werden auch Absorptions- bzw. Adsorptions-Wärmepumpen. Wärmepumpen, die den Vuilleumier-Kreisprozess nutzen, sind noch nicht marktreif.
Das Funktionsprinzip lässt sich gut mit einem Kühlschrank vergleichen, der innen kühlt und außen heizt. Viele dieser Systeme können im Umkehrbetrieb auch zur Kühlung eingesetzt werden. Da Wärmepumpen zum Teil erhebliche Anlaufströme haben, die zu Netzrückwirkungen (Spannungseinbrüchen) führen können, muss der Anschluss vom Energieversorgungsunternehmen genehmigt werden. Die Genehmigung wird im Regelfall mit bestimmten Auflagen (Anlaufstrombegrenzung, Anläufe/Stunde beschränkt) erteilt.
Das verdichtete Kältemittel kondensiert im Verflüssiger. Dies ist ein Wärmeübertrager, der auf der Gegenseite mit einem Wärmeträger, in der Regel Wasser oder einem Wasser-Sole-Gemisch (Frostschutz), beaufschlagt wird. Die bei der Verflüssigung des Kältemittels frei werdende Wärme wird vom Wärmeträger aufgenommen und auf die Heizkörper oder Heizflächen übertragen. Die Wärmeleistung, die, bezogen auf die eingesetzte elektrische Leistung des Verdichtermotors, am Verflüssiger genutzt werden kann, steigt mit abnehmender Differenz zwischen der Verdampfungs- und der Verflüssigungstemperatur im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe.
Das Verhältnis der Wärmeleistung („Output“) zur elektrischen Leistung („Input“) wird als Leistungszahl einer Wärmepumpe (engl. Coefficient of Performance, abgekürzt COP) bezeichnet.
Eine niedrige Wärmeträgertemperatur (Vorlauftemperatur) kann insbesondere mit Fußbodenheizungen umgesetzt werden, da die Wärmeübertragungsfläche sehr groß ist. Außerdem muss eine sehr gute Wärmedämmung für das zu beheizende Gebäude angestrebt werden, um bei geringem Wärmebedarf eine geringe Vorlauftemperatur des Wärmeträgers fahren zu können.
Heizfläche und mittlere Übertemperatur (Temperaturdifferenzen ?T) eines Heizkörpers oder einer Fußbodenheizung verhalten sich exponentiell zueinander. Dies ist mit der veränderten Leistungsabgabe von Speichern bei steigenden Primärtemperaturen zu vergleichen. Diese Problematik verursacht zudem, dass mittels Wärmepumpe die Speichertemperatur nur auf eine bestimmte Temperatur angehoben werden kann. Die maximal erzeugbare Warmwassertemperatur ist vom maximalen Verdichter-Hochdruck abhängig. Bei der Beheizung von Speichern mittels Erdsonden muss darauf geachtet werden, dass die Erdsonde nicht mit mehr als 100 W(therm.)/m Sonde belastet wird, um eine zu starke Vereisung der Sonde zu vermeiden. Da Eis ein schlechter Wärmeleiter ist, sinkt die Sondentemperatur zu weit ab und die Leistungszahl fällt in den unwirtschaftlichen Bereich unter 2,5.
| Wärmepumpe- Bauformen |
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.
| 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.
| Wärmepumpe- elektrisch angetrieben |
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 – zum Beispiel an einen Warmwasserkreis oder an die Raumluft – abgegeben wird. Das verflüssigte Kältemittel wird dann zu einer Entspannungseinrichtung geführt (Kapillarrohr oder thermisches Expansionsventil). 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 Wärmequelle 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.
| Wärmeleitfähigkeit |
Die Wärmeleitfähigkeit, auch Wärmeleitzahl (?, k oder ?) eines Festkörpers, einer Flüssigkeit oder eines Gases ist bestimmt durch die Geschwindigkeit, mit der sich die Erwärmung an einem Punkt durch den Stoff ausbreitet. Die Wärmeleitfähigkeit ist also das Vermögen eines Stoffes, thermische Energie mittels Wärmeleitung in Form von Wärme zu transportieren. Die (spezifische) Wärmeleitfähigkeit in W/(K·m) ist eine temperaturabhängige Materialkonstante.
| Wärmestrom aus der Erde |
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/m?2; (63 mW/m?2;) (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
Quelle: Auszugsweise Wikipedia. Alle Angaben ohne Gewähr.
