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Diplomarbeit
Gliederung
01 Thema
02 Einleitung
03 Energieverbrauch
04 Windkraft
05 Photovoltaik
06 Sonnenkollektoren
07 Geothermie
08 Sterlingmotoren
09 Biomasse
10 Inselsysteme
11 Solararchitektur
12 Umfrage
13 Förderungen
14 Danksagung
15 Anhang
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Diplomarbeit
7 Geotherme Anlagen
 
  Bei der Nutzung der Geothermie ist zu unterscheiden zwischen Anlagen die das von der Sonne erwärmte Grundwasser nutzen und Anlagen, welche Tiefenwärme aus dem Erdinneren nutzen. Bei der Tiefenwärme handelt es sich um keine erneuerbare Energiequelle, da sie durch Spaltungsprozesse im Inneren der Erde entsteht, und irgendwann aufgebraucht ist.

Zur Nutzung der Erdwärme kommen nur Stellen in Frage, in welchen die Erdkruste dünner und damit der Erdwärmestrom größer ist. Diese Erdwärme muß in „günstiger" Tiefe liegen.


Die Nutzung der Geothermie ist aufwendig. Für die Stromgewinnung sind Vorkommen ab 170° C Wassertemperatur interessant. Für die Nutzung der Erdwärme kommen folgende 3 Verfahren zur Anwendung:

- Wärmepumpen
- Hot-Dry-Rock Anlagen
- Klassische Geotherme Anlagen

Wärmepumpen:

Die auf die Erde eingestrahlte Sonnenenergie wird laufend in Erdreich, Grundwasser und Luft gespeichert. Wärmepumpen entziehen der Umwelt diese Wärme nach dem Funktionsprinzip des Kühlschranks. Dabei wird Wärme niedriger Temperatur durch die zugeführte Antriebsenergie auf ein höheres und damit nutzbares Temperaturniveau gebracht. Die Umweltwärme aus Erdreich und Grundwasser ist unabhängig von Tages- und Jahreszeit immer verfügbar. Eine Wärmepumpe kann Raumbeheizung und Warmwasser während des ganzen Jahres zuverlässig sicherstellen.

Eine Wärmepumpe bringt die der Umwelt entzogene Wärme auf eine höhere Temperatur und gibt sie dann an ein Heizsystem ab. Als Wärmequellen dienen in der Regel Außenluft, Grund- und Oberflächenwasser oder das Erdreich.

Zum Antrieb einer Wärmepumpe wird in der Regel ein Elektromotor verwendet. Bei größeren Anlagen kommen auch Gas- oder Dieselmotoren zur Ausführung. Die Wärmepumpe liefert rund dreimal mehr Wärme, als ihr Antrieb an Energie erfordert. Leider arbeitet dieser Antrieb mit keinen erneuerbaren Energien (Ausnahme Solarzellen als Stromlieferant), weshalb Wärmepumpen in dieser Arbeit nicht näher behandelt werden (Ausnahme Wasser-Eis-Speicher).

Ökologisch sind Elektrowärmepumpen, wegen des hohen Aufwandes an Primärenergie zur Stromerzeugung, nicht sinnvoll. Bei günstigen Strompreisen (Nachtstrom) können sie jedoch wirtschaftlich sein.

Nach der neuesten Statistik der Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz standen Ende 1995 rund 47.000 elektrisch angetriebene Wärmepumpen in Betrieb. Sie produzieren etwa 1320 Mio. kWh Wärme pro Jahr und ersetzen damit etwa 147 Mio. Liter Heizöl, was rund 2% des Heizölverbrauchs in der Schweiz ausmacht. Zu ihrem Antrieb werden nur etwa 530 Mio. kWh elektrische Energie benötigt; dies entspricht rund 1% des gesamten Stromverbrauchs in der Schweiz.

Sind elektrische Wärmepumpen sinnvoll? von Dr. Werner Ehl

... Damit die Wärmepumpe Umweltwärme gewinnen kann, benötigt sie zunächst einmal selbst Antriebsenergie (Elektro- oder Verbrennungsmotor). Wie effektiv eine Wärmepumpe arbeitet, wird durch die sogenannte Leistungszahl angegeben. Sie ist das Verhältnis aus gewonnener Energie zu eingesetzter Energie. Die Leistungszahl ist aber keine Konstante, sondern abhängig von den Temperaturniveaus. Konkret bedeutet dies, daß eine Wärmepumpe um so schlechter arbeitet, je tiefer die Mediumtemperatur (von Luft, Boden oder Wasser) und je höher die Heizungswassertemperatur sind.

Damit elektrisch betriebene Wärmepumpen energetisch effizient und umweltschonend sind, müssen sie mit einer Leistungszahl größer als 3 arbeiten, d.h. daß sie dreimal so viel Energie abgeben, als sie selbst verbrauchen. Dies liegt daran, daß zur Erzeugung von elektrischer Energie dreimal soviel Wärmeenergie im Kraftwerk verbraucht wird. Leistungszahlen größer als 3 werden aber in der Regel nur von Boden-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen erreicht und auch nur dann, wenn sie ihre Wärme an ein Niedertemperaturheizsystem abgeben. In den meisten Fällen werden unsere Häuser nicht durch Niedertemperaturheizungen erwärmt. Daraus folgt, daß der Einsatz von elektrisch betriebenen Wärmepumpen in den meisten Fällen energetisch unsinnig und umweltschädlich ist (Ausnahme Fußbodenheizungen, Anm. d. Autors).

Wie unsinnig der Einsatz von elektrischen Wärmepumpen aus gesamtenergiepolitischen Gründen ist, wird deutlich, wenn man bedenkt, daß jeder erzeugten Kilowattstunde elektrischen Stromes zwei Kilowattstunden Abwärme gegenüberstehen, die sinnlos die Atmosphäre aufheizen. Anstatt diese Abwärme zur Beheizung von Gebäuden zu benutzen, soll durch verstärkte Stromnachfrage von Wärmepumpen noch mehr Abwärme produziert werden.

Hot-Dry-Rock Anlagen

Hierbei wird Gestein in 1000 m Tiefe aufgebrochen und leitet über entsprechende Bohrungen Wasser von oben ein, welches - als Dampf zurückgeholt - Turbinen, die nun Strom produzieren, antreiben kann. Dieses sehr teure Verfahren befindet sich noch im Versuchsstadium.

In einem Artikel der Süddeutschen Zeitung bohrt man noch tiefer:

Im Zusammenhang mit der Wiedervereinigung hat die Geothermie eine neue Dimension erhalten. Bislang wurde innerhalb der Bundesrepublik Deutschland sowie im europäischen und internationalen Rahmen schwerpunktmässig das Hot-Dry-Rock-Verfahren gefördert. Dieses Verfahren zielt darauf ab, in Tiefen von 5000 bis 6000 m erhitztes Wasser bei einer Oberflächentemperatur von über 180° C zur Stromerzeugung zu nutzen. Angestrebt wird die Errichtung einer Pilotanlage, deren Standort entweder in Bad Urach (Deutschland), Soultz-Sous-Forts (Frankreich) oder Cornwall (Großbritannien) sein könnte. Die drei Standorte werden derzeit im Rahmen eines europäischen Firmenkonsortiums unter Beteiligung der EG untersucht.

Diese Anlagen sind für die EVU´s interessant, nicht aber für Blockheizkraftwerke oder gar für EFH.

Potential:

Die oberen 10 Kilometer der Erde enthalten genug Energie um für eine Million Kraftwerke, mit einer Leistung von jeweils 200 MW, für 10 000 Jahre. Ein solches Kraftwerk könnte damit 200.000 Mio. Menschen versorgen. Prognosen gehen davon aus, daß in den nächsten 20 Jahren in mittelamerikanischen und afrikanischen Staaten 75% des Energiebedarfs gedeckt werden könnten.


Klassische Geothermie - Anlage

Über eine Förderbohrung wird das Thermalwasser angezapft und an die Erdoberfläche gepumpt. Die Temperatur des Wassers liegt zwischen 40° C und 100° C. Nach der Verwertung wird das Wasser über eine zweite Bohrung - Injektionsbohrung - dem Wasserreservoir wieder zugeführt (sonst wäre es keine erneuerbare Energiequelle!).

Soll geheizt werden, muß das Thermalwasser über einen Wärmetauscher geleitet werden. In der Regel ist eine direkte Einspeisung des meist mineral- und salzhaltigen Wassers nicht möglich, da sonst das Heizsystem geschädigt werden kann. Es werden deshalb 2 Kreisläufe benötigt (Filtern und Heizen).

Wirtschaftlichkeit

Die Wirtschaftlichkeit für Geotherme-Anlagen muß individuell entschieden werden (bis auf Wärmepumpen). Der Hauptkostenanteil fällt auf die Untertagearbeiten. Die Aufwendungen für Förder- und Injektionssonde, Pumpe und Rohrleitungen machen 70 - 80% der Gesamtkosten aus. Die Bohrungen sind ein Unsicherheitsfaktor, da Sie nicht immer erfolgreich sind. Es besteht auch oft Ungewißheit, wie lange das angezapfte Reservoir ausreichen wird. Enthält das Thermalwasser Mineralien und Salze, muß es gefiltert werden; es tritt somit unter Umständen ein weiterer Kostenfaktor hinzu. Unter optimalen Bedingungen ergeben sich bei Thermalwassern hoher Temperatur und bei hohen Förderleistungen wirtschaftlich konkurrenzfähige Wärmekosten. Bei einer Thermalwassertemperatur von 70° C, einer Förderleistung von 200 m³/h, und bei Einsatz von Wärmetauschern und Wärmepumpe sind spezifische Betriebskosten von weniger als 5 Pf/kWh (bei 500 Vollaststunden pro Jahr) möglich.

Beispielanlagen

Projekt in Erding bei München:

Hier sollen alte Ölprobebohrlöcher genutzt werden und aus 2350m Tiefe rund 65° C heißes Thermalwasser an die Oberfläche fördern. Das Pilotvorhaben mit Gesamtkosten von 300 Mio. DM verbindet Energie-, Trink- und Heilwassergewinnung in einer einzigartigen Kombination. Das auf 130 000 m² geplante Geothermie - Projekt, inklusive Konferenz- und Geschäftszentrum sowie Thermal- und Erlebnisbad, ist auf eine Leistung von 20 MW ausgelegt. Es sollen u.a. ein Krankenhaus und eine Wohnsiedlung mit 600 Wohnungen beheizt werden. Die technischen Anlagen zur Förderung, Wärmegewinnung und Aufbereitung des Tiefenwassers, sowie für die Überwachungseinrichtungen, beanspruchen eine Fläche von 5000 m² . Bis zu 30% des Erdinger Trinkwassers sollen aus dem unterirdischen Becken gespeist werden. In Erding können durch die Nutzung der Geothermie im Endausbau 12,5 Mio. Liter Heizöl pro Jahr eingespart werden. So können Emissionen von rund 35 000 t CO2/a vermieden werden.

Für die Wirtschaftlichkeit des Erdinger Projektes ist jedoch entscheidend, daß es auf einer vorhandenen Bohrung errichtet wird und aufgrund der hohen Qualität des Thermalwassers keine Rückführung möglich ist. Leider sind keine genauen Kosten angegeben.

Fazit Geothermie

Die Geothermie wird in der BRD nur wirtschaftlich sein, wenn man sie im großen Stil nutzt. Dazu sind spezielle und individuelle Lösungen erforderlich, die hier nicht näher erörtert werden. Die Bohrungen sind hierbei ein ausschlaggebender Faktor. Man sollte bereits vorhandene Bohrungen, Tunnels, Stollen oder Bergwerke (Südafrika) als preisgünstige Vorbohrungen benutzen. Ein großes Potential liegt allerdings in den Ländern mit großem Vorkommen an Tiefenwärme wie z.B. Island. Das HOT-DRY-ROCK Verfahren ist noch in der Entwicklungsphase.