Ideenskizze über ein technologisches Wunder kostenarmer Wärme-Erzeugung
1. Der Ausgangspunkt der Idee
Mit der Energiewende ist die Ablösung der Energieerzeugung aus fossilen Energieträgern hin zu regenerativen Quellen zwingend erforderlich. Dies ist bei Elektroenergie mit einem Anteil von aktuell ca. 40% der Erzeugung aus regenerativen Ressourcen am Gesamtbedarf schon relativ hoch. Über 50% des Gesamtenergiebedarfes werden allerdings in Form von Wärmeenergie benötigt (Raumwärme, Prozeßwärme, Warmwasser etc.). In Privathaushalten liegt der Anteil von Wärmeenergie am Gesamtenergiebedarf sogar bei über 75%.
https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Artikel/Energie/energiedaten-gesamtausgabe.html
Hier stagniert der Anteil der regenerativen Erzeugung (Biomasse, Biogas, Erdwärme etc.) seit Jahren bei unter 14%.Das liegt auch daran, dass bei den meistgenutzten regenerativen Energiequellen (Solar, Wasserkraft, Wind) im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken keine Auskopplung von Wärme möglich ist. Die Bereitstellung nachhaltiger und bezahlbarer Wärmeenergie wird somit eine der wichtigsten Herausforderungen der Energiewende.
In der Lausitz wird derzeit noch Braunkohle im Tagebau aus einer Tiefe von bis zu 120 m gefördert. Nach der Auskohlung werden die Gruben wieder mit Abraum aufgefüllt (bis auf das verbleibende Restloch). Auf dem Niveau der Fördertiefe wirkt bereits der Einfluss geothermischer Wärme in einem konstanten Temperaturniveau von ca. 12-14°C. In der Hinterlassenschaft der ausgekohlten Tagebauen bietet sich nunmehr die Aneignung ihrer bislang ungenutzten geothermischen Energiepotentiale an.
2. Die Idee des Vorhabens
Mit der Verlegung eines Systems von Wärmetauscher-Rohren auf der Tagebau-Sohle, bevor der ausgekohlte Tagebau wieder mit Abraum aufgefüllt wird, kann dieses Rohrsystem zukünftig als Quelle geothermischer Energie/Erdwärme genutzt werden.Dazu wird das Rohrsystem mit Wasser durchströmt und an entsprechende Stationen Wärmepumpen und Fördersysteme errichtet.
Das Herzstück der Idee ist die kombinierte Nutzung eines mit Wasser durchströmten, großflächigen Rohrsystemsmit dem technologischen Wunder der Wärmepumpe. In diesem Fall der Nutzung von geothermischer Energie in den ausgekohlten Tagebauflächen bedeutet dies eine extrem kostengünstige Zufuhr von Ausgangs-Energie, die für den eigentlichen thermodynamischen Prozess der Wärmeenergie-Erzeugung genutzt wird.
3. Kurzer Exkurs: die Wärmepumpe
Um das eigentlich „Überraschende“ der Idee zu verdeutlichen, müssen wir hier einen kurzen, erklärenden Exkurs einschieben:
Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie ein Kühlschrank – quasi nur umgekehrt. Während ein Kühlschrank den Lebensmitteln im Innenraum des Kühlschranks Wärmeenergie entzieht und diese nach außen leitet, macht eine Wärmepumpe das Gegenteilige: Sie entzieht der Umgebung außerhalb seines Standortes (gewöhnlich in einem Gebäude) Wärmeenergie und macht sie für die Heizung im Innenbereich nutzbar. Das Besondere ist: Die Wärmepumpe zapft Wärmeenergie aus dem Grundwasser und dem Erdreich an. Weil die Temperatur dieser so gewonnenen Wärme in der Regel jedoch nicht genügt, um ein Gebäude oder benötigtes Warmwasser ausreichend zu erwärmen, bedient man sich der Wärmepumpe, die dutch einen eines thermodynamischen Prozess zur Wärmeerzeugung genutzt wird.
Zu diesem Prozess der Erzeugung von Wärme-Energie durch eine Wärmepumpe gehören folgende vier Schritten (auch „Kältekreisprozess“ genannt):
1. Das Verdampfen einer Flüssigkeit
Um eine Flüssigkeit verdampfen zu können, muss man Energie zuführen. Das kann man bei Wasser sehr gut beobachten. Wird ein Topf mit Wasser auf 100 Grad Celsius erwärmt, (Wärmeenergie zugeführt) beginnt das Wasser zu verdampfen. Wird dann weiter Wärmeenergie zugeführt, steigt die Temperatur des Wassers nicht weiter an. Stattdessen wird das Wasser vollständig zu Dampf umgewandelt
2. Dass Verdichten eines ursprünglich flüssigen Gases
Wird ein Gas, zum Beispiel Luft, zusammengedrückt (der Druck erhöht), erhöht sich auch die Temperatur. Man kann dies erfahren, wenn man bei einer Fahrradluftpumpe die Öffnung zuhält und die Luft zusammendrückt – der Zylinder der Luftpumpe wird warm.
3. Das Kondensieren eines Gases
Energie geht nicht verloren. Dies wird beim Kondensieren genutzt: Verdampftes Wasser, das kondensiert setzt Wärmeenergie frei.
4. Entspannen einer Flüssigkeit
Wird bei einer unter Druck stehenden Flüssigkeit der Druck schlagartig abgesenkt, sinkt die Temperatur um ein Vielfaches. Dies kann man zum Beispiel an einer Flüssiggasflasche bei einem Campinggaskocher beobachten. Wird das Ventil geöffnet, kann es selbst im Sommer zur Eisbildung an dem Ventil der Flüssiggasflasche kommen. (Hier wird der Druck von etwa 30 bar auf 1 bar abgesenkt.)
Diese Prozesse finden innerhalb der Wärmepumpe in einem geschlossenen Kreislauf statt und werden stetig wiederholt. In diesem Kreislauf wird die gewünschte Wärme-Energie erzeugt. Für den Wärmetransport wird dabei eine Flüssigkeit (Kältemittel) verwendet, die bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft. Um diese Flüssigkeit (bei niedrigen Temperaturen) zu verdampfen, wird Wärmeenergie zum Beispiel aus dem Erdreich oder der Außenluft verwendet. In unserem Fall ist es das das ins Rohleitungsnetz eingeführte Wasser, das unterirdisch erwärmt, beim Kältemittel den o.g. eigentlichen beabsichtigte Prozess, die Produktion von Wärme-Energie erzeugt.
Für diesen Prozess der Wärme-Energie-Erzeugung reichen grundsätzlich sogar Temperaturen von bis zu minus 20 Grad Celsius aus (abhängig vom eingesetzten Kältemittel). Der kalte Kältemitteldampf, in unserem Fall zum Beispiel ca. 10°C Grad Celsius, wird dann sehr stark zusammengedrückt. Dabei erwärmt dieser sich bis auf eine Temperatur von bis zu 100 Grad Celsius. Dieser Kältemitteldampf wird kondensiert und gibt dann die Wärme an das Heizsystem ab. Anschließend wird der Druck des flüssigen Kältemittels stark abgesenkt. Dabei sinkt die Temperatur der Flüssigkeit auf das Ausgangsniveau. Der Prozess kann von vorn beginnen. Quelle: https://www.viessmann.de
Im Fall der Nutzung der geothermischen Energie der ausgekohlten Tagebauflächen bedeutet dies eine extrem kostengünstige Zufuhr von Ausgangs-Energie, die dann den eigentlichen thermodynamischen Prozess der Wärmeenergie-Erzeugung auslöst.
Konsequenterweise sollte die notwendige Elektroenergie , die zum Betrieb der Wärmepumpen und der übrigen Anlagentechnik benötigt wird, ebenfalls über regenerative Energieerzeugung bereitgestellt werden.
4. Der Nutzen der geothermisch kostengünstig erzeugten Wärmeenergie
1. Nutzung zum Betrieb von großflächigen, jahreszeitlich unabhängigen Gewächshäusern, deren beispielsweise ganzjährliche Bereitstellung die Transportkosten zu den Ballungsräumen Dresden und Berlin erheblich senken würden.
2. Ganzjährige Wärmeenergie-Absicherung zur Nutzung von Freizeit- und Tourismusprojekten (z.B. Erlebnisbäder, Sport- und Event-Hallen).
3. Im Sommer kann die ursprüngliche Erdwärme als Kühlenergie zur Klimatisierung touristischer Einrichtungen genutzt werden (bei Ausschaltung der Wärmepumpen).
4. Die Kosten dieser Art der Wärmeenergie-Erzeugung sind relativ gering, langfristig stabil und betreffen v.a. den Unterhalt der Anlagen und den Energieverbrauch der Pumpen. Damit kann regional der Preis für die erzeugte Wärmeenergie extrem günstig gehalten werden.
5. Das Alleinstellungsmerkmal des Projektes
Erdwärme in industriellem Maßstab wird heute in der Regel über das Einbringen von Vertikalbohrungen in Tiefen von über hundert Metern gewonnen. Auf Grund der hohen Kosten hierfür und der begrenzten Wärmetauscher-Fläche ist dies derzeit nur in Gebieten mit hoher geothermischer Aktivität wirtschaftlich.
Die aufgezeigte Möglichkeit der Etablierung von großflächigen Wärmetauscher-Systemen ist als Alleinstellungsmerkmal in dieser Form nur im auslaufenden Braunkohlerevier möglich.
Durch die Möglichkeit des Einbringens von Wärmetauscher-Rohrsystemen auf später verfüllte Tagebausohlen fällt die Investition zum Erreichen der Tiefe mit geothermischer Aktivität vollständig weg. Gleichzeitig sind enorm große Wärmetauscher-Flächen erreichbar
1. Ohne hohe Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit der Rohrwandung. Es kann auf kostengünstige und beständige Materialien ausgewichen werden.
2. Das eher geringe geothermische Potential des Standortes ist dadurch mit großer Wahrscheinlichkeit wirtschaftlich erschließbar (Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erforderlich)3. Durch die große Dimensionierung der Wärmetauscher-Systeme sind erhebliche Volumenströme an Wasser als Wärmeüberträger möglich. Da der Volumenstrom an Kreislaufwasser letztendlich die übertragbare Wärmemenge bestimmt, ist damit Wärme-Energie-Gewinnung im industriellen Maßstab möglich.
6. Warum ist hier die Soziokultur gefragt?
Das Projekt wird auf erhebliche, systemische Widerstände treffen.
1. Systemischer Widerstand: Die Laufzeit der Tagebaue ist bereits zeitlich begrenzt. Grundsätzlich schnelle Entscheidungen zur Umsetzung des Projektes sind erforderlich.
2. Systemischer Widerstand: Zur Umsetzung des Projektes ist die Zusammenführung und Zusammenarbeit vieler verschiedener Partner (Tagebaubetreiber, Politik, Ämter, Planer, Hochschulen) zügig erforderlich.
3. Systemischer Widerstand: Da eine Nutzung der Rohrleitungsnetze erst nach Verfüllung der Tagebaue möglich ist, ist das Projekt langfristig in Etappen angelegt und muss als gemeinschaftliche, regionale Investition in die Zukunft organisiert und vermittelt werden. Kurzfristige Rendite ist nicht zu erwarten.
Die (Lausitzer) Soziokultur könnte mit Hilfe ihrer kulturellen Formate die Aufklärung, Initiation, Motivierung und Mobilisierung zu unorthodoxem kooperativem Handeln im Dienste regionaler Gemeinnützigkeit (Energie-Vorsorge) entscheidend vorantreiben.
7. Welche konzeptionellen Arbeitsschritte wären nötig?
1. Akquise-Planung, wie man einen konkreten, lokalen/regionalen/gemeinschaftlichen Akteur finden kann, der sich dieser technologischer/geschäftlichen Idee von Terra Preta annimmt
2. Aufstellung einer Energiebilanz zur Ermittlung der max. möglichen nutzbaren Ressourcen an Wärmeenergie
3. Untersuchung der noch im Betrieb befindlichen Tagebaue auf Umsetzung einer künftigen Erdwärmegewinnung
4. Untersuchung von Standorten und Möglichkeiten zur zukünftigen Nutzung von Erdwärme (ggf. auch Kühlung)
5. Technische Planung
6. Entwicklung von soziokulturellen Formaten, die diesen Prozess begleiten: Von der Akquise bis zur Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
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