Geothermie Fortsetzung – Wärmepumpe
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
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