Rechenbeispiele

Technische Entwicklung

Die Entwicklung von Wärmepumpen bewegt sich in unterschiedliche Richtungen - dazu gehört auch die Erweiterung der Einsatzspektren von Wärmepumpen. Eine Entwicklung für die Zukunft zielt auf Verbesserungen der Erdwärmesondenleistung durch eine "Regenschirmsonde". Die Sonde besitzt ein zentrales Rücklaufrohr sowie 8 radial um das Zentralrohr herum angeordnete Vorlaufrohre. Die Wärmeentzugsleistung kann durch diese Anordnung um etwa ein Drittel gesteigert werden. Die Sondenkosten steigen dagegen nur um etwa zehn Prozent.
Die Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen lässt sich beispielsweise auch über eine Direktverdampfung in Erdwärmesonden erhöhen. Diese aber erfordert noch umfangreiche und langfristige Arbeiten. Eine exakte Dimensionierung von Erdsonden auf ein Nichtunterschreiten der Quellentemperatur von 5° C würde nicht nur die Jahresarbeitszahl erhöhen, sondern auch einen Kreislauf ohne Frostschutzmittel mit reinem Wasser in Zukunft möglich machen. So würde die Umweltverträglichkeit zusätzlich gefördert. Auch zu dieser Methode sind weitere Planungen in Arbeit.

Wärmepumpen werden zunehmend in Kombination mit Lüftungssystemen von Niedrigenergiehäusern eingesetzt. Dabei wird der Abluft über eine Wärmerückgewinnung fast die gesamte Wärmeenergie zur Erwärmung der Frischluft entzogen. Für den Heizbedarf von Niedrigenergiehäusern werden Wärmepumpen im Leistungsbereich <4 kW konzipiert, die gerade bei dieser Leistungsklasse wirtschaftliche Vorteile aufweisen bzw. allein zur Verfügung stehen.

In den Niederlanden wird derzeit ein System entwickelt, bei dem Erdwärmesonden in den Boden gedrückt werden. Bei diesem Vorgehen entfällt das Bohren, allerdings ist dies nur bei weichen und plastischen Böden möglich, die erreichbare Tiefe liegt unter 50 m. Der Einsatz wird aus diesem Grund in Zukunft begrenzt bleiben. Nach ersten Erfahrungen liegen die Kosten aber deutlich niedriger als beim Bohren.

Untersucht wird zurzeit ebenfalls, ob sich Erdwärmesonden-Speicher als Hochtemperaturspeicher (40-70° C) eignen. Erste Ergebnisse lassen auf einen Speichernutzungsgrad von 50-70 Prozent schließen. Bis zu einem bestimmten Temperaturniveau können Hochtemperatur-Erdspeicher ohne Wärmepumpe für den Niedertemperaturbereich eingesetzt werden. Das verbessert die Energiebilanz des Systems und teilweise auch die Wirtschaftlichkeit.

Als Wärmequelle zur Beladung können Solarsysteme dienen, oder Abwärme aus industriellen Prozessen, beispielsweise aus dem Betrieb eines Blockheizkraftwerks. Hochtemperaturspeicher sollten ein Volumen von 10.000 Kubikmeter nicht unterschreiten. Besonders geeignet zur Wärmespeicherung sind Aquifere (wasserführende Schichten). Alle diese Ansätze werden in Zukunft weiter verfolgt.

Schließlich sind auch Erfahrungen mit Wärmepumpen aus dem Ausland lehrreich. In Japan und in den USA sind Wärmepumpen weit verbreitet, allerdings werden sie dort eher als Klimatisierungseinheit verstanden, die auch heizen kann. In Japan wie in den USA sind gasbetriebene Wärmepumpen kleinerer und mittlerer Leistung auf dem Vormarsch. In europäischen Ländern, in denen Strom vielfach aus Wasserkraft stammt, sind Wärmepumpen ebenfalls stärker verbreitet, etwa in Norwegen, Frankreich, Schweden und der Schweiz und haben dort eine vielversprechende Zukunft. Die Schweiz etwa kommt im Neubaubereich mittlerweile auf einen Landesdurchschnitt von 40 Prozent Wärmepumpen-Anlagen. Besonders aktive schweizerische Regionen zählen sogar 80 Prozent Bauherren, die sich für die Wärmepumpe entscheiden.

Ein weiter wachsender Wärmepumpen-Anteil ist in Zukunft auch hierzulande anzustreben zur Entlastung der Umwelt.

Erdwärme - eine Energiequelle für die Zukunft

Der Energievorrat der Erdwärme, der weltweit in heißem Wasser oder Gestein lagert, ist schier unerschöpflich. Experten schätzen, dass die Erdwärme unseren heutigen Weltenergiebedarf für 30 Millionen Jahre deckt. So ist die Rede von einem globalen Energieproblem eigentlich überflüssig. Nach heutigen Kenntnissen befinden sich im Erdkern Temperaturen von vermutlich über 6.000 °C, im oberen Erdmantel sind noch etwa 1.300 °C vorhanden. Etwa 99 Prozent des Erdballs sind heißer als 1.000 °C und nur 0,1 Prozent sind kühler als 100 °C. Das sind eigentlich gute Voraussetzungen, um Energieprobleme elegant und umweltfreundlich mit Erdwärme zu lösen. Täglich strömen aus dem Erdinnern gewaltige Energiemengen in den Weltraum, die den Bedarf der Menschen um ein Mehrfaches decken.

Mit den heutigen Technologien können diese umweltfreundlichen und klimaschonenden Energiequellen praktisch fast überall genutzt werden. Geothermie, so der Fachausdruck für Erdwärme, gehört deswegen zu den weltweit am meisten eingesetzten erneuerbaren Energieträgern. Allerdings ist es nicht überall so einfach wie in Island, an die Energie aus dem Inneren der Erde zu kommen. Dort sind schon weithin sichtbar die zahlreichen Geysire zu sehen, aus denen heißes Wasser in die Luft schießt. Schon seit etwa 70 Jahren zapfen die Isländer ihre heißen Quellen an. Mittlerweile wird ihr Strom- und Wärmebedarf nahezu vollständig aus erneuerbaren Energiequellen gedeckt.
Im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energieträgern hat die Geothermie einen entscheidenden Vorteil: Sie steht zu jeder Tages- und Jahreszeit und bei allen Klimabedingungen zur Verfügung. Auch muss diese Energie nicht weit transportiert werden - sie steht überall zur Verfügung. Weil bei der Nutzung von Erdwärme nichts verbrannt wird, fallen auch keine oder bei Verwendung von Elektroaggregaten nur ganz geringe Kohlendioxid-Emissionen an.
Erdwärme oder Geothermie ist also in großer Menge vorhanden, leider sind aber nicht an jedem Ort Energiemengen in beliebiger Größe abschöpfbar. Doch auch heute schon gibt es eine ganze Reihe von sinnvollen Technologien für die Erdwärmenutzung: Die Energie der Erde lässt sich nämlich nicht nur zum Heizen verwenden, sie kann genauso gut auch Kühlen. In unterschiedlichen Systemen sind sogar beide Energieaustauschformen integriert. Im Sommer kühlen diese Systeme, im Winter heizen sie. Zur Erdwärmenutzung gehört natürlich auch die Erdwärmeheizung. Sie funktioniert mit einem Wasserkreislauf, der durch das Erdreich führt. Dieser Kreislauf und eine elektrische Wärmepumpe genügen, um im Winter Temperaturen fürs Heizen zu gewinnen und im Sommer die Raumkühlung zu übernehmen.

Weil das Erdreich wegen seiner relativen Temperaturkonstanz eine günstige Wärmequelle bildet, eignet sich auch der Einsatz einer Erdwärmepumpe in besonderem Maße. Dabei bildet mit Wasser angereicherter Lehmboden wegen seines großen Energiepotenzials die beste Wärmequelle.

Um Erdwärmekollektoren nutzen zu können, ist eine ausreichend große Fläche erforderlich. Vom Prinzip her funktionieren die Kollektoren wie Erdwärmesonden. In geringer Bodentiefe werden PE-Schleifen flächig, etwa im Garten eines Einfamilienhauses, verlegt. Erdwärmekollektoren sind Wärmetauscher, die horizontal in 80-160 Zentimeter Tiefe verlegt werden. Erdwärmekollektoren nutzen die Sonnenenergie, die durch direkte Einstrahlung, durch Wärmeübertragung aus der Luft und durch Niederschläge in das Erdreich gelangt. Der Vorteil von Erdwärmekollektoren gegenüber Erdwärmesonden besteht im deutlich geringeren Investitionsaufwand.
Schließlich nutzen auch Erdwärmetauscher die Erdwärme: Das Prinzip des Erdwärmetauschers besteht darin, dass die Temperatur des Erdreichs im Winter zur Vorwärmung der Zuluft und im Sommer zur Kühlung verwendet wird - denn das Erdreich ist im Winter wärmer als die Außenluft und im Sommer ist das Erdreich kühler. Der Erdwärmetauscher besteht aus Rohren, die nahezu horizontal im frostfreien Erdreich verlegt werden.