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Diplomarbeit |
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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.
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