Geothermie Fortsetzung – Wärme­pumpe

Tim Krause

Unser Autor:

Hallo liebe Leserinnen und Leser,

an dieser Stelle möchte ich an meinen letzten Blog-Eintrag anknüpfen, welcher sich vorwiegend mit der Einführung in die Geothermie sowie insbe­sondere mit der Tiefen­geo­thermie befasst hat.

Techno­logie

Kommen wir nun also, wie versprochen, auf die Techno­logie zur Nutzung der Erdwärme aus oberflä­chen­nahen Erdschichten zurück. Auch in diesem Fall stellt sich erneut die Frage, wie man auf diese Art und Weise Wärme gewinnen kann und ob dies auch in Deutschland möglich ist.

Zur Wärme­er­zeugung wird vorwiegend die sogenannte Verdichter-Wärme­pumpe benutzt, wobei sich das Gesamt­system in drei verschiedene Teilsysteme mit entspre­chenden Kreis­läufen unter­teilen lässt. Zu diffe­ren­zieren gilt es zwischen Wärme­quelle, Wärme­pumpe und Wärme­senke. Doch keine Sorge, nachfolgend werden alle Teilsysteme und die entspre­chenden Kreis­läufe noch einmal genauer erläutert.

Skizze: Verein­fachtes Prozess­schema einer erdreich­ge­kop­pelten Verdichter-Wärme­pumpe

Vereinfachtes Prozessschema einer erdreichgekoppelten Verdichter-Wärmepumpe

Wärme­quelle

Der erste Kreislauf entspricht dem der Wärme­quelle. Dabei gilt es luft-, wasser- und erdreich­ge­kop­pelte Wärme­pumpen zu diffe­ren­zieren, wobei auf erstere an dieser Stelle zunächst nicht näher einge­gangen werden soll.

Als Beispiel für wasser­ge­kop­pelte Wärme­pumpen dienen Anlagen, welche das örtliche Grund­wasser als Wärme­quelle nutzen. Dabei wird das Grund­wasser über den sogenannten Förder­brunnen gewonnen und in den Verdampfer der Wärme­pumpe gespeist. Dort überträgt das Grund­wasser seine enthaltene Wärme an den Kälte­mit­tel­kreislauf und wird anschließend über den entspre­chenden Schluck­brunnen wieder ins Erdreich zurück­ge­führt.

Die erdreich­ge­kop­pelten Wärme­pumpen unter­scheiden sich dahin­gehend, dass kein Grund­wasser als Wärme­quelle für den Verdampfer dient, sondern eine Flüssigkeit namens Sole. Dabei handelt es sich um ein Gemisch aus Frost­schutz­mittel und Wasser. Diese Sole wird auch nicht wie das Grund­wasser nach dem Prozess zurück ins Erdreich gepumpt, sondern sie fließt die ganze Zeit in einem geschlos­senen Kreislauf. Dazu werden im Erdreich horizontale Kollek­toren oder vertikale Sonden verlegt in welchen die Sole zirku­liert. Vorteil dieser Kollek­toren (horizontale Verrohrung) ist, dass die Inves­ti­ti­ons­kosten aufgrund der gerin­geren Verle­gungs­tiefe deutlich geringer sind. Aller­dings bedarf es dazu der Verlegung auf einer großen Fläche, sodass zumeist der gesamte Garten des Hauses einmal umgepflügt werden muss. Bei den senkrechten Rohren (Sonden) ist dies nicht der Fall, da lediglich kleine Bohrungen ins Erdreich getrieben werden müssen. Aller­dings sind diese Bohrungen zumeist sehr aufwendig und kostspielig.

Auch bei der oberflä­chen­nahen Geothermie lässt sich, wie auch bei der Tiefen­geo­thermie, festhalten, dass die Techno­logie wohl nicht überall einge­setzt werden kann. Aller­dings ist die Anzahl poten­ti­eller Einsatz­ge­biete in Deutschland deutlich erhöht und es bedarf in jedem Fall einer indivi­du­ellen Vorab­un­ter­su­chung des Stand­ortes, um die Möglichkeit der Instal­lation einer Wärme­pumpe zu betrachten.

Wärme­ge­winnung

Doch wie lässt sich nun aus der abgeführten Erdwärme genug Wärme für einen Haushalt gewinnen? Die Lösung für dieses Problem liegt im zweiten Kreislauf, welcher wie beim Organic Rankine Cycle mit Kälte­mittel befüllt ist, wobei dieses nicht zwangs­läufig organisch sein muss. Im Verdampfer wird dem Kälte­mittel also die Wärme des Grund­wassers zugeführt, sodass das bis dahin zumeist flüssige Kälte­mittel unter konstant niedrigem Druck und niedriger Tempe­ratur verdampft.

Anschließend strömt der Dampf durch den Verdichter, wobei es sich um eine Art Pumpe handelt. Dieser Verdichter sorgt für eine Erhöhung des Druckes und einen Tempe­ra­tur­an­stieg. Im nachfol­genden Konden­sator, welcher auch Verflüs­siger genannt wird, gibt das Kälte­mittel die Wärme an den Heizkreislauf des zu behei­zenden Gebäudes ab und verflüssigt dabei wieder. Druck und Tempe­ratur bleiben in diesem Zuge weiterhin auf einem konstant hohen Niveau. Erst im nachfol­genden Expan­si­ons­ventil wird beides wieder reduziert, was zur Folge hat, dass ein geringer Teil des Kälte­mittels wieder verdampft und der Prozess kann von vorne beginnen.

Wärme­senke

Wie ich schon erläutert habe gibt es neben dem System der Wärme­quelle und dem der Wärme­pumpe noch das System der Wärme­senke. Üblicher­weise handelt es sich hierbei um das Heizver­tei­lungs­system der zu behei­zenden Immobilie. Im Regelfall eignen sich für den Wärme­pump­en­einsatz besonders Flächen­hei­zungen, wie etwa Fußboden- oder Wandhei­zungen, da sich das Heizungs­wasser mit Wärme­pumpen auf lediglich 50 Grad Celsius erwärmen lässt, was für diese Heizungs­typen aller­dings vollkommen ausrei­chend ist. Doch auch bei einem Haus mit normalen Heizkör­per­ra­dia­toren kann der Einsatz einer Wärme­pumpe durchaus Sinn machen, indem man sie beispiels­weise mit einer kleinen zusätz­lichen Heizkessel ausstattet, welcher der Wärme­pumpe lediglich unter­stützend beiseite steht.

Grund­sätzlich lässt sich dieses Funkti­ons­prinzip der Wärme­pumpe also nicht nur im Rahmen der oberflä­chen­nahen Geothermie, sondern auch bei der Tiefen­geo­thermie anwenden, womit ich auch schon am Ende meiner Blog-Einträge zur Einführung in die Geothermie bin.

Ich hoffe es hat euch gefallen,

euer Tim

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