Grundlagen moderner Technik

Das Themengebiet der Energietechnik ist ausgesprochen komplex und umfangreich. Damit die Inhalte dieser Seite auch von nicht technisch ausgebildeten Lesern verstanden werden kann, sollen in dieser Rubrik wichtige Grundlagen der Elektro- und Energietechnik als Hilfe dienen.

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Geothermie – Energieform mit Potenzial

Der Bürger kennt kleine Wärmepumpen, weiß aber über die Geothermie allgemein noch sehr wenig. Meist fällt der Begriff Geothermie nur im Zusammenspiel mit Erdbeben und Bodenverwerfungen, doch professionell und verantwortungsvoll realisiert, sind geothermische Kraftwerke sauber und sicher.

Die Europäische Union und dieser folgend die Bundesregierung setzen ehrgeizige Klima- und Energiesparziele. Allein durch Senkung des Energieverbrauchs sind diese jedoch nicht zu erreichen. Es müssen zusätzlich regenerative Energieträger erschlossen und für die Strom- und Wärmeerzeugung nutzbar gemacht werden. Auch müssen vor allem Energieformen erschlossen werden, die den Nutzungsschwerpunkten entsprechen. Hier dominieren „Wärme“ (bzw. auch Kälte) und die Mobilität. Für die energietechnische Grundversorgung hat die Elektrizität eine große Bedeutung, die künftig auch die Mobilität und die Wärme/Kälte-Technologie vermehrt betreffen wird.

Die Nutzung von Energie ist grundsätzlich mit Emissionen von Treibhausgasen verbunden! - Dies gilt auch dann, wenn man die Nutzung regenerativer Energieträger meint, denn auch hier verursachen die Herstellung der entsprechenden „Wandler-Anlagen“, deren Transport, Installation und die spätere Entsorgung bzw. deren Recycling Emissionen. Man muss allerdings verschiedene Szenarien unterscheiden:

  • Neu-Emissionen von Treibhausgasen entstehen, wenn fossile Energieträger eingesetzt werden. Hier wird langfristig bereits im Erdinneren in stabiler Form gebundener Kohlenstoff in die Atmosphäre freigesetzt!

  • Von CO2-Neutral spricht man, wenn die Nutzung von Energie nur soviel Emissionen an Treibhausgasen verursacht, wie durch den Prozess zur Gewinnung der Primärenergie Kohlenstoff aus der Atmosphäre entzogen wurden. Hier ist zum Beispiel die Nutzung von Biomasse zu nennen.

Wenn man also von der Reduktion der Treibhausgase spricht, ist immer das gesamte System und nicht allein eine Technologie zu betrachten. Die Reduktion von Treibhausgasen muss also bedeuten, die NEU-Emissionen (aus fossilen Lagerstätten) zu verringern und im Idealfall vollkommen zu stoppen. Hierzu hat sich die Politik Ziele in verschiedenen Schritten gesetzt:

  • Reduktion der Treibhausgas-Emissionen gegenüber dem Stand von 2008 um 40% und bis zum Jahr 2050 sogar um 80%

  • Senkung des Primärenergieeinsatzes um 20% bis 2020 und um 50% bis 2050

  • Senkung des Wärmebedarfs in Gebäuden um 20% bis 2020 und um 60% bis 2050

  • Verdoppelung der energetischen Sanierungsrate auf 2% bis 2050

Wärme spielt eine gewichtige Rolle in der Energiebilanz! Betrachtet man allein die privaten Haushalte, deren Anteil an der Energienutzung immerhin mit rund 28% zu Buche schlägt, dann entfallen in diesen Bereich nahezu 85% auf Wärmeenergie (72% Gebäudewärme und 13% Warmwasserbereitung). Der Anteil des elektrischen Stroms (Beleuchtung und Elektrogeräte allgemein) an der Energienutzung durch private Haushalte ist mit 15% vergleichsweise gering.

Auch bei Industrie, Handel und Gewerbe nimmt die Wärme für die Gebäudebeheizung und vor allem als Prozesswärme – einen sehr hohen Stellenwert ein. Der Anteil an Energie, die allein zur Bereitstellung von Wärme aufgewendet werden muss – sei es für die Beheizung von Räumen, zur Aufbereitung von warmen Wasser oder für Prozesswärme – ist also gewaltig. Wärme ist jedoch in Hülle und Fülle innerhalb der Erde vorhanden. Es gilt, die richtigen Lagerstätten zu erschließen und diese mit der jeweils passenden Technologie nutzbar zu machen. Natürlich muss die gewählte Technologie in ihrem Investitionsvolumen auch dem anvisierten Nutzen gerecht werden. So werden folgende Geothermieformen genutzt:

  • Oberflächennahe Geothermie: Die meisten, in privaten Gebäuden installierten, Wärmepumpen nutzen die oberflächennahen geothermischen Eigenschaften. Diese sind abhängig von Tages- und Nachtzeit sowie von den klimatischen Verhältnissen der Jahreszeiten.

  • Tiefe Geothermie: Von tiefer Geothermie spricht man, wenn Bereiche thermoenergetisch erschlossen werden, die nicht mit Tages- oder Jahreszeiten in der Temperatur variieren. Hier müssen zwei verschiedene Bereiche unterschieden werden: Niedrigenthalpiezonen und Hochenthalpiezonen.

Bei den Hochenthalpieregionen handelt es sich um Bereiche, in denen tief im Erdreich heiße Wasserreservoire, so genannte Aquifere, vorhanden sind. Zudem sind diese Regionen in der Nähe vulkanischer Aktivitäten zu finden. Gemeint sind dabei keinesfalls aktive, Lava speiende Vulkane, sondern tief im Erdinneren verborgene Magma-Blasen etc.). Auch in Deutschland sind derartige Regionen zu finden. Interessant sind Hochenthalpie-Lagerstätten vor allem deswegen, weil im Erdreich extrem heißes Wasser unter hohem Druck steht und diese Quellen direkt für den Antrieb von Dampfturbinen nutzbar sind.

Überwiegend werden allerdings Geothermie-Anlagen in so genannten Niedrigenthalpieregionen realisiert, da diese den größten Teil der Fläche des Landes ausmachen. Mit sehr tiefen Bohrungen (4000 m bis 6000 m) werden kristalline heiße Gesteinsschichten erreicht, die mit Sprengungen und durch Einpressen kalten Wassers über einen weiten Bereich (mehrere hundert Meter Umkreis) mit feinen Rissen versehen werden. Durch diese Risse wird kaltes Wasser durch den Boden gepresst und in einer weiteren Bohrung wieder stark aufgeheizt an die Oberfläche gefördert. Die zu erwartende Temperatur wird mit einem Gradienten von durchschnittlich 3K/100m Tiefe in Mitteleuropa kalkuliert.

Der Anteil der Geothermie am gesamten Energiemix ist heute noch vergleichsweise gering, was an allgemeiner Skepsis und vor allem an den hohen Investitionskosten liegt. Das nutzbare Energiepotenzial ist aber nahezu unerschöpflich! Im Bereich der oberflächennahen Geothermie steigt die Akzeptanz, jedoch sind auch hier die Anlagen noch sehr teuer und oft mit umfassenden Erdbaumaßnahmen verbunden, so dass sich diese Form der erneuerbaren Energien nur schleppend durchsetzt. 

Geothermie bietet Potenziale für die Nutzung von Synergieeffekten bei großen Erdbaumaßnahmen wie zum Beispiel den Tunnelbau. Hier lässt sich die Wärme der durchtriebenen Gesteinsschichten mit Erdwärmesonden ernten. Zu bedenken ist jedoch stets auch, dass ein Wärmeentzug zu Temperaturveränderungen in der nahen Umgebung und damit auch am Bauwerk selbst führt. Dies muss aufgrund der Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien bereits in der Planungsphase beachtet werden.

(rs/12-2015)