Solarthermie: Erdwärme

Erdwärme

Je tiefer wir unter die Erdoberfläche ins Erdinnere vordringen, um so wärmer wird es. Die Kombination von Erdwärme mit Solarthermie kann uns Nutzen verfielfachen, da neben dem Mehr an Wärme auch das Klima durch weniger Kohlendioyd-Emissionen bei der Wärmegewinnung belastet wird.

Erdwärme ist eine Form gespeicherter Energie unterhalb der Erdoberfläche, auch Geothermische Energie genannt. Landläufig versteht man unter Geothermie die technische Ausnutzung dieser natürlichen Wärmequelle zur Energiegewinnung.

Bei den Arten der geothermischen Energiegewinnung ist grundsätzlich zwischen der Nutzung des oberflächennahen Bereichs (“oberflächennahe Geothermie”) bis ca. 400m Tiefe und der Nutzung eines tieferen Bereichs (“tiefe Geothermie”) zu unterscheiden. Die technische Grenze liegt derzeit bei einer Tiefe von etwa 7.000m.

Um die Wärme aus dem Untergrund gewinnen zu können, benötigt man ein Transportmittel wie z.B. Wasser, Sole oder Dampf. Die Nutzungsarten werden danach unterschieden, ob das Transportmittel bereits im Untergrund vorhanden ist oder erst künstlich eingebracht werden muss.

Im Bereich der oberflächennahen Geothermie mit einem Temperaturniveau von ca. 7°C bis max. 25°C ist in der Regel der Einsatz einer Wärmepumpe erforderlich, um ein für die Wärmeversorgung ausreichendes Temperaturniveau zu erreichen. Im Bereich der tiefen Geothermie kann bei ausreichend hohen Temperaturen die Wärmeenergie direkt über Wärmetauscher an den Heiznetzkreislauf abgegeben werden. Nachgeschaltete Wärmepumpen und weitere Nutzungen wie z.B. die Heizung von Gewächshäusern, Fischzucht etc. können das nutzbare Temperaturintervall deutlich erweitern und die Wirtschaftlichkeit verbessern (“Kaskadennutzung”).

Erdwärmespeicher

Energiespeicherung ist ein wesentlicher Bestandteil der Energiewende. Da Wärmespeicherung wesentlich (1000 mal) preiswerter ist als Stromspeicherung, muss diese immer bevorzugt werden, wenn vorgesehen ist, die zu speichernde Energie letzlich als Wärme zu nutzen. Wesentlich ist bei der Auswahl der Speichertechnologies der Zeitfaktor. Hier spricht man von Kurzzeitspeichern (diuralen Speichern) und Langzeitspeichern (saisonalen Speichern). Man kann auch Hochtemperaturspeicher von Niedertemperaturspeichern unterscheiden. Für lange Zeiten und große Wärmemengen kommen praktisch nur Erdwärmespeicher in Frage.

Saisonale Wärmespeicher

Als saisonale Wärmespeicherung bezeichnet man die Speicherung von Wärme über lange Perioden, dies können mehrere Wochen bis Monate sein.

Solares Wäremanebot im Sommer – Grafik: saisonalspeicher.de

Die Sonne liefert in den Monaten Mai bis September rund 65% der im Jahr in Deutschland eingestrahlten Solarenergie, die den Wärmebedarf in dieser Zeit zu 100% decken könnte. Der hauptsächliche Wärmeverbrauch von Wohngebäuden liegt dagegen mit 65% zwischen Oktober und April, der solare Deckungsanteil dagegen nur bei 7%.

Wärmebedarf im Winter – Grafik: saisonalspeicher.de

Die überschüssige, während der Solarsaison nicht genutzte Wärme muss also für strahlungsärmere Monate gespeichert werden. Hierzu werden saisonale Wärmespeicher verwendet, die über die Sommermonate mit Solarwärme aus großen solarthermischen Kollektorfeldern beladen werden, um damit im Winter die, über ein Wärmenetz angeschlossenen Gebäude zu heizen.

Saisonale Wärmespeicher verwenden je nach Bauart entweder Wasser oder eine Kies-Wasser- bzw. Erdreich-Wasser-Mischung oder direkt den Untergrund, um Wärme saisonal zu speichern.

Schema der saisonalen Wärmespeicherung – Grafik: saisonalspeicher.de

Das z.B. von Solarkollektoren erwärmte Wasser strömt direkt oder über Rohrschlangen in das Speichermedium und belädt den Wärmespeicher, sofern dessen Temperaturen kälter sind als das erwärmte Wasser. Bei Wärmebedarf gibt das Speichermedium wiederum die Wärme an kälteres, durch den Speicher strömendes Wasser ab.

Speichertechniken

Behälter-Wärmespeicher
Behälter-Wärmespeicher bestehen meist aus einem unterirdischen Stahlbetonbehälter, der mit Wasser gefüllt wird.

In Hannover wurde in einem Neubaugebiet ein Heißwasser-Wärmespeicher als zylindrischer Betonbehälter mit freitragendem Kegelstumpf-Schalendach aus Spannbeton ausgeführt. Hier kam erstmals ein neu entwickelter Hochleistungsbeton zum Einsatz, der ohne innere Edelstahlauskleidung ausreichend wasserdampfdicht ist.

Flachkollektoren sind auf den umgebenden Gebäuden als dachintegriertes Solardach ausgeführt und addieren sich zu 1.473 m² Kollektorfläche. Der solare Deckungsanteil (Planung) beträgt 39% am jährlichen Gesamtwärmebedarf.

Erdbecken-Wärmespeicher
Erdbecken-Wärmespeicher entstehen, indem ein künstlicher “Teich” angelegt, mit Speichermaterial gefüllt und mit einem Deckel verschlossen wird.

In Marstal auf der dänischen Insel Aerö wurde im Jahr 2012 ein neuartiges, auf 100 % erneuerbaren Energien basierendes Anlagenkonzept für das örtliche Fernwärmesystem umgesetzt. Zentrale Komponenten sind eine solarthermische Großanlage mit einer Nennleistung von 23,4 MWth, ein saisonaler Wärmespeicher mit 75.000 m³ Wasserinhalt und ein Biomasse-Heizkraftwerk mit ORC-Anlage. Das als „Smart District Heating“ bezeichnete Gesamtkonzept ermöglicht dem lokalen Wärmeversorger eine wirtschaftlich attraktive Teilnahme am Strom-Regelenergiemarkt.

Erdsonden-Wärmespeicher
Erdsonden-Wärmespeicher nutzen mithilfe Wasser durchflossener Erdwärmesonden das Gestein im Untergrund zur Wärmespeicherung.

Mitten im historischen Quartier, an der Bolleystraße 35 (Link), fällt ein modernes Mehrfamilienhaus auf, mit dunkelgrauer Sichtbetonfassade und weiten, verspiegelten Fensterfronten. “B35” hat es sein Schöpfer getauft, der Professor für Gebäudetechnik Hansjürg Leibundgut. B35 ist sein Zuhause – und ein Labor: die erste konsequente Umsetzung von Leibundguts Forschung an der ETH Zürich.

Aquifer-Wärmespeicher
Aquifer-Wärmespeicher verwenden unterirdische, wasserführende Gesteinsschichten zur Wärmespeicherung, die durch Bohrungen erschlossen werden.

Das Speicher-Projekt Reichstag in Berlin, besteht aus einer kombinierten Kälte- und Wärmespeicheranlage.

Der Kältespeicher wird im Sommer aus dem Verdampfer der Wärmepumpe und im Winter mit kühler Umgebungsluft (Temperaturen zwischen 5 °C – 19 °C) beladen. Er besteht aus zwei mal fünf 60 m tiefen Brunnen, die je 300 m auseinander liegen und eine max. Durchflussgeschwindigkeit von 300 m³/h erlauben.

Der Wärmespeicher hingegen liegt in über 300 m Tiefe  und besitzt zwei Brunnen von 285 m – 315 m Tiefe, deren Entfernung voneinander (wie beim Kältespeicher) ebenfalls 300 m beträgt; Die Temperaturen erreichen im Wärmespeicher bis zu 70 °C, wobei die Durchflussgeschwindigkeit 100 m³/h beträgt. Im Sommer wird der Wärmespeicher mit Abwärme einer KWK-Anlage beladen.

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