Energietechnik/-Anwendungen
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Elektrotechnik
Umweltfreundliche Energieversorgung mit Wärme
ep10/2003, 3 Seiten
Wärmepumpen verbessern die Energiebilanz Die Wärmepumpe (WP) gilt inzwischen auch in Deutschland vor allem bei Besitzern von Ein-und Zweifamilienhäusern als eine umweltfreundliche und wirtschaftlich interessante Alternative zum dominierenden Öl- und Gasheizkessel sowie zur Brennwerttechnik. Aus Sicht des Geschäftsführers des Fachverbandes für Energie-Marketing und -Anwendung (HEA) beim VDEW, Jörg Zöllner, reduziert „jede WP oder Wohnungslüftungsanlage gegenüber dem Niedertemperaturkessel leicht die CO2-Emissionen um 3 t/a. Hochgerechnet mit den Absatzzahlen im Jahr 2015 ergibt sich somit ein CO2-Reduzierungspotential von knapp 4 Mio. t/a und das mit steigender Tendenz.“ Diese Zielstellung gilt gleichermaßen für den Neubau und den von der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) geförderten sanierungsbedürftigen Altbau und schließt selbstverständlich auch Mehrfamilienhäuser ein. Das alles und auch die technischen Details wie die Funktionsweise wurden in dieser Fachzeitschrift bereits vorgestellt (vgl. ep 11/99, S. 1045-1049; ep 3/02, S. 192-196; ep 9/02, S. 702-703; ep 5/03, S .338-339; ep 9/03, S. 654-658). Damit ist, wie gezeigt wird, die gegenwärtige Entwicklung aber noch nicht voll beschrieben. Wärmequellen, die Umweltwärme nutzen Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal der WP-Anlagen ist die genutzte Wärmequelle. Sie bestimmt in entscheidendem Maße über Realisierungsmöglichkeiten (Zulassung, Höhe der Investitionskosten, Platzbedarf, Eigenleistungen) und Wärmeangebot. Kostengünstig und am einfachsten zu erschließen ist die Außenluft. Möglichst lärmgeschützte Ventilatoren führen die Außenluft am Verdampfer der WP vorbei, wobei ihr Wärmeenergie entzogen wird. Der Montageort ist so zu wählen, dass ein hohes Temperaturpotential - beispielsweise auch erwärmte Abluft - ausgenutzt werden kann. Außenluft hat den großen Vorteil, dass sie praktisch überall verfügbar und leicht erschließbar ist. Von Nachteil ist jedoch, dass durch die jahres- und tageszeitlichen Schwankungen der Lufttemperatur und die relative Luftfeuchtigkeit der erzielbare Wärmegewinn stark schwankt. Außerdem ist die Außenluft gerade dann besonders kalt, wenn der Heizwärmebedarf am höchsten ist. Außenluft-Wärmepumpen werden deshalb bei Altbausanierungen vor allem als Ergänzung zu bestehenden oder geplanten Wärmequellen anderer Art gewählt. Auch zur Wärmerückgewinnung in Lüftungs- oder Kombianlagen (Luft, Wassererwärmung, Heizung, zusätzliche Wärmequelle) haben sie einen festen Platz im Wohnbereich errungen. An kalten Tagen unterstützt ein Elektro-Heizstab die WP. Bereits vor mehreren Jahren wurde auch die Nutzung warmer Stallluft als Wärmequelle für Kuh- und Schweinestall sowie Heizung des Wohngebäudes mit einer zweiten WP untersucht. Trotz einiger Einschränkungen gibt es verschiedene Einsatzmöglichkeiten - einschließlich Kühlung [1]. Eine andere mögliche Wärmequelle ist Wasser. So ist insbesondere Grundwasser wegen seines verhältnismäßig hohen und konstanten Temperaturniveaus von 8 bis 12 °C besser als Wärmequelle für Wärmepumpen geeignet. Auch Oberflächenwasser von Seen und Flüssen bietet in der Regel günstige Bedingungen. Es hat meist Temperaturen von 2 bis 15 °C. In beiden Fällen ist die Wasserentnahme genehmigungspflichtig. Nicht selten verweigert die zuständige Wasserwirtschaftsbehörde aber die Genehmigung. Neben den genannten Wasserquellen kann vor allem in Nordrhein-Westfalen Grubenwasser als Wärmequelle genutzt werden. Es stammt aus stillgelegten Steinkohlebergwerken und ist 20 bis 30 °C warm. Seltener entscheiden sich die Investoren für einen Massiv-Absorber (Bild ). Hier werden von Kältemitteln durchflossene Röhren in einen Betonkörper eingegossen. Je nach Ausführung wird er oberirdisch und dabei zum Teil mit Erdreich bedeckt oder unterirdisch positioniert betrieben. Der Vorteil gegenüber anderen Baustoffen: Beton - auch solcher von Mauern, Brüstungen etc. - ist ein guter Wärmeleiter und teilweise auch billiger als mühsam gegrabene Erdlöcher für die nachfolgend beschriebenen Erdsonden. Die absorbierte Umweltwärme wird erdnah gesammelt und der WP zugeführt. Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 10 796 FÜR DIE PRAXIS Energieerzeugung Umweltfreundliche Energieversorgung mit Wärme H. Kabisch, Berlin Wärmepumpen erschließen zunehmend die kostengünstige Nutzung der Umweltwärme. Viele im Dauerbetrieb arbeitende Pilotanlagen zeigen, dass neue Versorgungssysteme und Wärmequellen die Bedeutung dieser Technologie noch weiter erhöhen. Autor Dipl.-Ing. Helmut Kabisch ist freier Fachjournalist, Berlin. Wärmeaustauscher, die Energie für den Wärmepumpenbetrieb „einsammeln“, werden als Absorber bezeichnet. Sie nehmen Wärmeenergie der Luft, des Regens, der Sonne und ggf. auch der Abwärme auf. Quelle: Initiativkreis WP Für den Elektrohandwerker übernehmen mit speziellen Geräten ausgerüstete Fremdfirmen im Unterauftrag die Anlage vertikaler Bohrlöcher für Wärmesonden. Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 10 797 Energieerzeugung FÜR DIE PRAXIS Von immer größerer Bedeutung ist die Wärmequelle Erdreich. Bereits ab einer Bodentiefe von ein bis zwei Metern sinkt die Temperatur kaum unter 5 °C. Damit besteht die Möglichkeit, mit im Erdreich horizontal verlegten, von einer Sole durchflossenen Rohren (Kollektoren) auch diese Wärmequelle zu nutzen. Alternativ können Erdsonden vertikal angeordnet werden (Bild ). Selbst wenn sie bis in Tiefen von 150 m reichen, nutzen sie noch Umweltwärme. Aus Sicht der Geologen zählt diese Erdschicht bis zu einer Tiefe von 500 m definitionsgemäß zur oberflächennahen, mit Umweltwärme versorgten Geothermie. Um die Erschließungskosten zu begrenzen, werden die Bohrtiefen für die Erdsonden wo immer möglich, begrenzt. Wenn allerdings die geologischen Verhältnisse nicht optimal sind, bleiben im Interesse eines ausreichenden Wärmeenergiepotentials höhere Kosten unvermeidbar. So wurde im vergangenen Jahr im bayrischen Bernau eine aus 12 jeweils 160 m tiefen Erdsonden bestehende Wärmequelle für eine 180 kW leistende WP erschlossen. Am aufwändigsten waren dabei die Bohrkosten mit etwa 75000 Euro. Abhilfe könnte nach Pressemeldungen eine an der Bergakademie im sächsischen Freiberg entwickelte neuartige Erdwärmesonde bringen. Sie kann die thermische Leistung einer Bohrung um den Faktor 5 bis 10 steigern und wurde bereits mit Erfolg erprobt. Wärmepumpen nutzen auch Erdwärme Mit zunehmender Tiefe werden Erdreich und Wasser Energieträger von Geothermie (Erdwärme). Sie ist das Ergebnis der Erdentstehung und der anhaltenden radioaktiven Zerfallsprozesse im Erdinneren. Daraus ergibt sich, dass abhängig von den verschiedenartigen geologischen Gegebenheiten die Temperatur pro 100 m um 3 bis 5 (extrem 8) °C steigt. Nach menschlichem Ermessen gilt Erdwärme als eine unbegrenzt verfügbare Erneuerbare Energie (EE). Ähnlich wie die Biomasse ist sie frei von tageszeitlichen und saisonalen Schwankungen. In großen Tiefen steigt die Temperatur auf Werte von über 100 °C - weit mehr, als für Heizwärme erforderlich. Wenn alles gut geht, dann wird im mecklenburgischen Neustadt-Glewe im Herbst dieses Jahres erstmalig in Deutschland mit Geothermie Strom erzeugt. Erdwärme kann mit unterschiedlichen Systemen aus unterschiedlichen Tiefen entnommen werden. Im Grenzgebiet zur Umweltwärme betrifft das auch Erdsonden (Einbohrloch-Systeme) wie das beispielhaft in Bild gezeigte. In das Bohrloch wird das in einen Innen- und einen Außenring unterteilte Ausbausystem eingebracht. Das anschließend mit groben Kies aufgefüllte Bohrloch stabilisiert das System und ermöglicht gleichzeitig die Zirkulation des von oben als zukünftiger Energieträger zugeführten Kaltwassers. Am tiefsten Punkt der Erd-Energiequelle wird das nunmehr erwärmte Wasser in das Thermorohr gesaugt und anschließend der WP und dem Heizungssystem zugeführt. Das unter dem Namen „Geohil“ vermarktete System hat sich nach Aussage des Herstellers „in über 400 Anlagen bewährt, störungs- und wartungsfrei Erdwärme zu fördern - und das unabhängig von der Jahreszeit“. So ist es in Gebieten mit oberflächennahen Wasserleitern möglich, aus einer 50 m tiefen Energiequelle die Heiz- und Kühlleistung für eine Wohn-/Nutzfläche von 500 bis 1000 m2 zur Verfügung zu stellen. Neben Ein- und Zweifamilienhäusern (auch Siedlungen mit bis zu 28 Häusern) wurden auch Mehrfamilienhäuser und Zweckbauten aus den Bereichen Neu- und Altbau mit diesem System ausgerüstet. Dazu gehört ein 2001 errichteter Neubau, der aus drei Wärmequellen (460, 480 bzw. 670 m tief) und drei WP (2x48 kW, 1x90 kW) energetisch versorgt wird. Erwähnenswert ist schließlich ein 1995 errichtetes Mehrfamilienhaus mit 2000 m2 Wohnfläche, das über drei jeweils 270 m tiefe Erdsonden und drei WP mit einer Leistung von jeweils 33 kW beheizt wird. Der Hersteller geht davon aus, dass für den Wärmebedarf eines Einfamilienhauses (beispielsweise im Raum Berlin-Brandenburg) in den meisten Fällen eine Bohrung von 50 m Tiefe ausreicht. Die Wärmeentnahme - so sein Credo - ist mit gleicher Leistung über Jahrzehnte dauerhaft und konstant möglich. Kalte Fernwärme ergänzt durch WP Prinzipiell sind die beschriebenen Einbohrloch-Systeme auch zur Erschließung von Wärmequellen in bis zu 4000 m tiefen Gesteinsschichten geeignet. Die erste Anlage dieses Typs in Deutschland arbeitet im mecklenburgischen Prenzlau und liefert seit mehreren Jahren eine thermische Leistung von 400 kW für das städtische Fernwärmenetz. Basis ist eine von vielen, etwa 1000 m tiefen Probebohrungen aus vergangenen Zeiten. Zur Erhöhung der Temperatur wurde das Bohrloch auf 2800 m vertieft. Ein noch größeres Wärmepotential ist in Deutschland in den meistens in Tiefen von 1000 bis 2500 m liegenden, thermalwasserführenden Schichten gespeichert. Um auch diese, als hydrothermale Geothermie bezeichnete Erdwärmequelle zu nutzen, sind zwei im unterschiedlichen Abstand niedergebrachte Bohrungen erforderlich. Über die erste wird Warmwasser zur Oberfläche transportiert. Nach Wärmeentzug wird das abgekühlte Thermalwasser über die zweite Bohrung in die Wasserschicht verpresst. Die Nutzung von eher niedrigthermalen Tiefengewässern ist vor allem im süddeutschen Molassebecken (Malmkarst), im Oberrheingraben und in Teilen der norddeutschen Tiefebene möglich (Bild Anlagenschema eines Einbohrloch-Systems, das sich als Wärmequelle im mehrere 100 m tiefen Festsystem bewährt hat Quelle: Geohil Erdwärmeanlagenbau Geothermie-Vorkommen in der Bundesrepublik Deutschland Quelle: Geo-Forschungs-Zentrum 798 FÜR DIE PRAXIS Energieerzeugung Bereits Ende des letzten Jahrzehnts wurden in Deutschland 25 größere Anlagen mit einer thermischen Leistung von 66 MW betrieben. Abnehmer waren Wärmeversorgungsnetze. Beispielsweise werden im mecklenburgischen Neustadt-Klewe rund 90 bis 95 % der benötigten Fernwärme durch hydrothermale Geothermie abgedeckt. Insgesamt sollen in Deutschland in den nächsten Jahren bis zu 150 MWth zugebaut werden. Ziel der bisherigen Installationen war neben der Entlastung der Umwelt das Testen der Bodenverhältnisse in verschiedenen Regionen, die sich auch in Zukunft zur Gewinnung von Nutzwärme eignen. Aus Rentabilitätsgründen wurde bei der Gestaltung der Fernwärmenetze weitgehend das Prinzip der „kalten Fernwärme“ verwirklicht. Es sieht vor, dass angesichts der weitverbreiteten Vorkommen im Temperaturbereich von 40 bis 80 °C die Rücklauftemperatur unter 40 °C liegt. Damit wird es möglich, einen hohen Anteil der Wärmemenge im direkten Wärmetausch zu übertragen. Die WP ist dann das unverzichtbare Element, das verbrauchernah die Temperatur auf den jeweils gewünschten Wert anhebt - ggf. nicht nur für die Heizung einzelner Gebäude oder ganzer Stadtteile, sondern auch für industrielle Prozesse. Geothermische Energiespeicher Ein weiteres Anwendungsfeld für die WP eröffnet die Speicherung von Wärmeenergie aus der Umwelt oder aus Abwärme im oberflächennahen Erdbereich. Das markanteste Projekt dafür ist die Speicherung von Solarwärme in einem unterirdischen naturgegebenen Wasserspeicher, in der Geologie als Aquifer bezeichnet. Die Solarwärme liefern Solarkollektoren, die auf einem 1999/2000 in Rostock-Brinckmannshöhe im Niedrigenergiehausniveau errichteten Gebäudekomplex installiert wurden [3]. Von den erzeugten 400 MWh/a Solarwärme können nur 159 MWh/a direkt genutzt werden. Die überschüssige Wärme wird in einem Aquifer gespeichert, der sich unter dem Gebäudekomplex in ca. 15 bis 25 m Tiefe befindet. Auf diesem Weg wird im Sommer Wasser mit einer Temperatur von 10 °C erwärmt. Mit Beginn der Heizperiode wird das erwärmte Wasser mittels einer elektrisch angetriebenen 100-kW-WP auf ein zur Heizung und Warmwasserbereitung nutzbares Temperaturniveau transformiert. Dass auch Abwärme in einem Aquifer gespeichert und bei Bedarf als Heizenergie genutzt werden kann, wird u. a. in den Berliner Regierungsbauten am Spreebogen nachgewiesen [4]. Die Wärmeenergie für das Reichstagsgebäude, das Bundeskanzleramt etc. liefert ein Wärmenetz, das energetisch von mehreren BHKW (Blockheizkraftwerken) versorgt wird. Die BHKW arbeiten im Dauerbetrieb und sichern die Notstromversorgung. Angetrieben durch Biodiesel stammt damit auch die Abwärme indirekt aus Sonnenenergie. Im Sommer wird die Abwärme in 300 m Tiefe in einem gebäudenah erschlossenen Naturspeicher durch Wassererwärmung gespeichert. Im Winter sinkt durch die Heizung die Temperatur von max. 70 °C bis 30 °C ab. Wärmepumpen sichern, dass auch hier jederzeit die notwendige Vorlauftemperatur genutzt werden kann. In der kalten Jahreszeit wird durch Direktkühlung mit Trockenkühlern bei Lufttemperaturen unter 0 °C mittels der Absorptionswärmepumpen das Aquiferwasser eines zweiten, kältespeichernden Naturspeichers auf 5 °C abgekühlt. Beides geschieht mit einer auf Wärmepumpenbetrieb umschaltbaren und durch Wärmeenergie angetriebenen Absorptionskältemaschine. Weiterentwicklung der WP-Technologie Insgesamt beweist die große Einsatzbreite der WP ihr hohes technisches Niveau. Dennoch ist auch diese Technologie - wie die Absorptionswärmepumpe und die ständig verbesserten Leistungszahlen (zzt. 5,9) der weit verbreiteten Kompressions-WP zeigen - weiterhin Gegenstand der Weiterentwicklung. Das betrifft auch die Antriebstechnik. Nach wie vor dominiert der Elektromotor, denn die Edelenergie Strom ist im Gegensatz zum Erdgas praktisch an jedem Ort vertreten. Allerdings hat sich im oberen Leistungsbereich auf Teilgebieten - beispielsweise in Bädern - die gasangetriebene WP Marktnischen erobert. Für 2004 hat die Fa. Vaillant ein so genanntes Zeolith-Heizgerät zur Warmwassererwärmung und Wohnraumbeheizung angekündigt - im Kern eine mit Wärme betriebene Absorptions-WP (Bild ). Ähnliche Entwicklungen laufen bei Schweizer Unternehmen. Bei WP vom Typ Absorption ist der mechanische Kompressor durch einen thermischen Verdichter ersetzt, der mit einem Zweistoff-Gemisch arbeitet. Die Absorptionswärmepumpe kann von jeder Art thermischer Energie mit ausreichend hohem Temperaturniveau betrieben werden, z. B. mit Heizöl, Erdgas oder auch Biobrennstoffen. Sie zeichnet sich durch einen wartungsarmen Betrieb aus, da außer einer kleinen Lösungsmittelpumpe keine beweglichen Teile vorhanden sind. Absorptionswärmepumpen werden auch in der Industrie zur Nutzung der Abwärme eingesetzt. Prinzipiell sind diese WP auch für den Einsatz in Wohnhäusern geeignet. Sie lassen eine gute Effizienz über einen weiten Temperaturbereich der Wärmequelle erwarten. Literatur [1] Kämper, H.: Landwirtschaft und Wärmepumpe - eine ideale Kombination. Strompraxis Spezial, VDEW-Verlag 3/97 [2] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (Hrsg.): Erneuerbare Energie jetzt nutzen [3] Erstmalig in Deutschland: Speicherung von Solarwärme in einem Aquifer. GTN Ingenieure und Geologen aktuell, Juni 2002, S. 2 [4] Kabisch, H.: Regierungsbauten setzen auf BHKW. Elektropraktiker Berlin 53(2000)4, S. 322 Wärmepumpenmodul (links) und Bauraumstudie aller Komponenten des Zeolith-Heizgerätes (rechts) Quelle: Vaillant VOR ORT 8.-11. Oktober 2003 Elektrotechnik Dortmund Halle 5, Stand 5131 22.-24. Oktober 2003 Belektro Berlin Halle 3.2, Stand 206 ELEKTRO PRAKTIKER
Autor
- H. Kabisch
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