Nutzung alternativer Energieformen

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1. Zurück zur Grundsatzfrage: Physik, Links, Praxis, Ausblick 23.08.02 16:50:43 MET
   Hallo Herr Langbein und Diskussionsteilnehmer,
   die gestellte Grundsatzfrage: "Stammt die Wärmeenergie von der Sonne [...] oder stammt die Wärme aus der Tiefe?" hat mein Interesse geweckt und ich habe mich etwas damit befasst.
   * Erdwärme (Geothermie) *
   Von den 6370 km Radius unserer Erde macht die Erdkruste nur durchschnittlich 20 km aus (0,3%), vergleichbar einer Eierschale (0,4 mm) bei einer Kugel mit 25 cm Durchmesser. Wie es darunter aussieht, wird anschaulich, wenn ein Vulkan ausbricht. Würde die Temperatur kontinuierlich mit 3 °C pro 100 m zunehmen, wie es in der Erdkruste der Fall ist, müssten im Erdmittelpunkt 190000 °C herrschen. In Wirklichkeit vermutet man dort "nur" ca. 6000 °C, was etwa der Temperatur auf der Oberfläche der Sonne entspricht (!). Lesen Sie dazu den interessanten Beitrag "Zum Innern hin wird's immer wärmer" [1.Link unten]! Von dieser inneren Wärme der Erde fließen ständig über 40 Milliarden kW an die Erdoberfläche [2. Link]. Das klingt viel, es sind aber nur 0,078 W/m². Davon entfällt überdurchschnittlich viel auf besondere Gebiete mit Vulkanen, Geysiren ... und die Meeresböden, wo die Erdkruste dünner ist (z.B. 10 km). Für die übrigen Gebiete bleiben ca. 0,042 W/m² [vgl. 1.Link]
   * Sonnenenergie *
   Unvergleichlich viel größer ist die Energiemenge (genauer gesagt: Leistung), die ständig von Sonne auf die Erdkugel trifft. Nach Abzug des reflektierten Anteils sind es 122000 Milliarden kW, oder auf einen m² Erdoberfläche umgerechnet immer noch knapp 240 W/m². Etwa die gleiche Leistung wird von der Erde in Form von Wärmestrahlung in den Weltraum abgestrahlt, wodurch die Temperatur auf der Erde etwa konstant bleibt. Rechnerisch wären es die 122000 Milliarden kW (Sonne) + 40 Milliarden kW (Erdwärme) + 12 Milliarden kW (Umsatz durch Menschheit) = 122052 Milliarden kW.
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   Nutzung der Erdwärme zum Heizen:
      a) Grundwasser-Wärmepumpe
   Deren Wirkungsgrad (Leistungszahl) steigt mit der Temperatur der Wärmequelle. Interessant ist dabei der Temperaturverlauf im Boden: Während die Temperatur an der Oberfläche direkt mit den Jahreszeiten schwankt, setzt sich diese Schwankung in einer abklingenden Welle nach unten fort. Dadurch gibt es eine Tiefe, in der im Sommer "gerade die Kälte des Winters angekommen ist" und im Winter "die Wärme des Sommers". Typischerweise ist das bei ca. 8 m Tiefe, es hängt aber vom Aufbau des Bodens und den Grundwasserströmungen ab. Siehe dazu [3.Link] unten und detaillierter im Bezug auf Grundwasser: [4.Link]. Für eine Grundwasserwärmepumpe bietet sich also die Entnahme aus dieser Tiefe an.
      b) Wärmepumpe mit Erdsonde
   Als Alternative, z.B. wenn kein Grundwasser genutzt werden kann, kommt die Erdsonde (Erdspieß) in Frage, also eine (oder mehrere) Bohrung(en) 30 bis 100 m tief [siehe dazu auch 5.Link]. Nachdem vor 10 Jahren so tiefe Bohrungen noch kaum bezahlbar waren, werden sie zunehmend Stand der Technik und damit bezahlbarer.
      c) Wärmepumpe mit Erdregister
   Im Boden flächig verlegte Schlangen in ca. 1,5 bis 2 m Tiefe (Erdregister) zum Bertirb einer Wärmepumpe. Das hat man früher mehr gemacht, geht aber zunehmend zur Erdsonden über. Ich würde es auch eher nicht machen. In dieser geringen Tiefe ist es (noch) im Winter am kältesten, also gerade dann, wenn man am meisten Heizwärme braucht und auch eine Solaranlage nur wenig beitragen kann. (Ungünstiger ist hier nur eine (Außen-)Luftwärmepumpe.) Außerdem entzieht man die Wärme in der Nähe des Hauses... wo man sie eher haben will und wahrscheinlich bleibt so auch der Schnee im Garten länger liegen... Eine große Fläche aufzugraben ist schließlich auch nicht ganz billig und man kommt eventuell (gleich oder später) mit Bäumen, anderen Gebäuden, verlegten Leitungen etc. in Konflikt. Ein Argument für Schlangen im Erdreich könnte sein, wenn es darunter nur Felsen gibt oder ... die U-Bahn ;-).
      d) Ausblick
   Mit dem Fortschritt der Technik werden auch die Erdsonden immer tiefer angelegt und so kommt man zunehmend in den Genuss höherer Temperaturen. Bei uns bekommt man es jenseits von 100 m Tiefe mit dem Bergbaugesetz zu tun - das kommt aber zur Zeit ohnehin nur für größere Anlagen in Frage. In der Schweiz ist man in Sachen Erdwärne-Nutzung besonders weit [siehe 2.Link]. Nach den geologisch begünstigten Ländern Island (5344 W/Einwohner) und Neuseeland (75,4 W/Einwohner) liegt die Schweiz mit 70 W genutzter thermischer Leistung je Einwohner an der dritten Stelle, weit vor anderen Ländern. Bei genügender Tiefe kann die Erdwärme ohne Wärmepumpe direkt zum Heizen verwendet werden oder sogar zur Stromerzeugung (Deep Heat Mining oder Hot-Dry-Rock-Technologie).
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   Nochmal zurück zur Ausgangsfrage, woher die Wärme kommt:
   Daraus, dass die Temperatur um 2 bis 3 °C je 100 m Tiefe ansteigt, ist zu schließen, dass Wärme nach oben strömt. Nur in den ersten Metern unter der Erdoberfläche strömt sie zeitweise nach unten, im Mittel aber auch nach oben. Es ist vielleicht vergleichbar einem Fluss, der zum Meer hin fließt, aber in der Nähe der Mündung auch von den Gezeiten beeinflusst wird. So lange man weniger entnimmt, als von unten nachkommt, bleibt die Strömungsrichtung auch oberhalb der Entnahmestelle - es kommt sozusagen alles von unten. Es strömt ja nicht sehr viel Wärme nach oben. Die 0,042 W/m² bedeuten 368 Wh je m² im Jahr. Um z.B. 10000 kWh/Jahr für die Beheizung eines Wohnhauses (entspricht ca. 1000 Liter Heizöl pro Jahr) durch aufsteigende Erdwärme zu bekommen, wäre ein Einzugsbereich von gut 27000 m² nötig. Ein Erdregister wäre sicher wesentlich kleiner, so dass nur ein kleiner Teil als Erdwärme von unten käme und der Rest von oben. Eine Erdsonde müsste einen Einzugsbereich mit rechnerisch 93 m Radius haben, was bei einer 100 m tiefen Sonde schon eher vorstellbar ist. Daraus sieht man, dass zumindest bei dichterer Besiedlung (z.B. Stadt) eine flächendeckende Versorgung allein durch die aufsteigende Wärme nicht möglich ist. In den meisten Fällen wird wohl die Wärme von oben und unten kommen. Das macht aber nichts, denn selbst wenn sie nur von oben käme, würde damit nur das ausgeglichen, was die beheizten Häuser abgeben.
   Habe ich alle Klarheiten beseitigt?
   Ich wünsche allen noch einen schönen Sommer und Ihnen Herr Langbein eine gute Entscheidung für Ihre Heizung, Wolfram Zucker
   Weiterführende Links:
     - http://www.g-o.de/geo-bin/frameset.pl?id=00001&frame1=titelgo.htm&frame2=menue04.htm&frame3=kap4/40ib0001.htm
     - http://www.geothermal-energy.ch/dt/geothermie_dir/geothermie.htm
     - http://www.energieconcept.de/erdsonde.htm
     - http://www.stadtentwicklung.berlin.de/umwelt/umweltatlas/d214_06.htm
     - http://www.celler-brunnenbau.de/bilder/leistunggeoerdsond.htm
   Name: Wolfram Zucker   E-Mail-Adresse anzeigen   http://home.arcor.de/w.zucker/

2. Fundierte Antwort, jetzt glaub sogar ich das die Wärme von oben kommt, 9.09.02 12:03:41 MET
   und weiß aber gleichzeitig das Grundwasser und Erdspies besser sind als Flächenkollektoren.
   Gruß von einem Bauherren der kurz vor der Entscheidung steht.
   Name: Herr Lennart