Grundlagen und Perspektiven der Energiewende

Kurs: Grundlagen und Perspektiven der Energiewende | OnCourse UB

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    Nutzung von Erd- und Umgebungswärme

    Unterscheidung Erd- und Umgebungswärme von Geothermie

    Umgebungswärme

    Als Umgebungswärme wird der Energiegehalt der Luft, des oberflächennahen Erdreichs, des Grundwassers und von Oberflächengewässern (See, Flüsse) bezeichnet. Diese Energie stammt von der Einstrahlung der Sonne und gilt als unbegrenzt und erneuerbar.

    Die Abgrenzung zur Erdwärme ist nicht einheitlich definiert. Oft wird auch die Energie des oberflächennahen Erdreichs als Erdwärme bzw. Geothermie bezeichnet. Differenzieren kann man in jedem Fall die tiefe Erdwärme, die nicht durch die Einstrahlung der Sonne, sondern durch die geothermische Energie aus dem inneren der Erde stammt. Zur Erinnerung: die Erde enthält im Inneren flüssiges Gestein, Magma genannt, das 700°C oder deutlich heißer ist. Die Temperatur in der Erde nimmt mit zunehmender Tiefe kontinuierlich zu, die Temperaturen unterscheiden sich je nach Dicke der Erdkruste. 
    Weil Bohrungen in Deutschland ab 100 Meter Tiefe einer anderen Genehmigung unterliegen, wird häufig bei 100 Meter die Grenze zwischen oberflächennaher Erdwärme und tiefer Erdwärme gezogen.
    
    
    
    

    In Deutschland wird meist erst bei über 1.000m Tiefe eine Temperatur von mindestens 50°C erreicht, die direkt zum Heizen genutzt werden kann. Die technologische Nutzung dieser tiefen Erdwärme bezeichnen wir im Folgenden als Geothermie. In anderen Regionen der Welt, z.B. Island, ist die Erdkruste stellenweise deutlich dünner als in Deutschland und auch die Nutzung oberflächennaher Wärme wird dort als Geothermie bezeichnet.

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    Nutzung von Umgebungswärme bzw. oberflächennaher Erdwärme

    Wenn oberflächennahe Erdwärme oder andere Umgebungswärme genutzt werden soll, muss eine Wärmepumpe eingesetzt werden. Die Nutzung der oberflächennahen Energie zum Heizen von Häusern ist schematisch in der Abbildung dargestellt.
    
    
    

    
    

    Das Prinzip der Wärmepumpe wurde bereits in Kapitel 4 erläutert. Für ihren Betrieb wird Strom benötigt, es gibt aber auch die Möglichkeit sie mit Gas zu betreiben.

    
    

    Wärmepumpen

    Je nach dem genutzten Medium (Luft, Wasser, Erde) werden sie als Luft-Wasser-Wärmepumpe (LWP), Sole-Wasser-Wärmepumpe (SWP) und als Wasser-Wasser-Wärmepumpe (WWP) bezeichnet.

    Luft ist die am einfachsten erschließbare Wärmequelle. Für Privathäuser wird meist Außenluft, seltener die Innenluft, zum Beispiel aus Kellern, genutzt, in Industrieanlagen kann auch warme Abluft von technischen Anlagen genutzt werden. Außenluft hat im Vergleich mit Erde und Grundwasser den Nachteil, dass ihre Temperatur im Jahres- und Tagesverlauf stark schwankt, daher gelten LWPs für Außenluft als weniger effizient und leistungsstark als SWPs und WWPs. Der Vorteil der Nutzung von Außenluft ist die vergleichsweise einfach Erschließung der Luft, die unbegrenzt verfügbar ist und einfach nur angesaugt werden muss.

    Für die Nutzung der oberflächennahen Erdwärme stehen drei grundsätzlich Möglichkeiten zu Verfügung: Erdwärmesonden, Erdkollektoren und Grundwasserbrunnen. Erdkollektoren und Erdwärmesonden sind für die Beheizung von Einfamilienhäusern besonders häufig.

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    Klassifizierung

    Um Wärmepumpen zu klassifizieren werden zwei Kennzahlen genutzt, der Coefficient of Performance (COP), auch als Leistungszahl bezeichnet, und die Jahresarbeitszahl. Der COP gibt das Verhältnis der abgegebenen Nutzwärmeleistung bezogen auf die eingesetzte elektrische Leistung für den Antrieb der Wärmepumpe an.

    
    

    Der COP wird wesentlich von der Temperatur der Wärmequelle beeinflusst. Je näher die Temperatur der Wärmequelle an der Vorlauftemperatur der Heizung desto größer der COP (und desto effizienter die Wärmepumpe). Gerade bei LWPs verändert sich der COP also im Laufe des Jahres.

    Die Jahresarbeitszahl (JAZ) gibt das Verhältnis aus erhaltener Heizwärme und eingesetztem Strom für ein ganzes Jahr wieder.

    
    

    Eine JAZ von 3 bedeutet für 100 kWh Wärme müssen 33 kWh Strom aufgewendet werden, bei einer JAZ von 4 sind es nur 25 kWh Strom.

    In der folgenden Abbildung sind beide Fälle schematisch dargestellt, zusätzlich ist der Strommix aus erneuerbaren und nicht-erneuerbaren Energiequellen zu sehen:

    
    

    (Quelle:© Umweltbundesamt: Umgebungswärme und Wärmepumpen)