Im Grundwasser liegt viel Energie verborgen
Auf unserem Planeten steigt ständig Wärme aus dem Erdinneren auf. Einhundert Meter unter der Erdoberfläche herrschen im Boden Temperaturen von etwa zehn Grad Celsius, in drei Kilometern Tiefe sind es schon ca. 100 Grad Celsius. Diese Wärme wird auch vom Grundwasser aus der es umgebenden Bodenschicht aufgenommen. Je nachdem, wie tief unter der Erdoberfläche es sich befindet, unterscheidet sich also auch die Temperatur des Grundwassers. Von dieser ist wiederum abhängig, wie ein bestimmtes Grundwasservorkommen genutzt werden kann.
Der Begriff „Hydrothermie“ wird üblicherweise für die energetische Nutzung solcher Wasservorkommen verwendet, die mehrere Kilometer tief unter der Erde liegen und, je nach Lagerstätte, Temperaturen von bis zu 250 Grad Celsius aufweisen. Solche sehr heißen Vorkommen sind entweder flüssig oder gasförmig, stehen aber immer unter hohem Druck. In Hydrothermie-Kraftwerken werden sie angebohrt, damit heißer Wasserdampf zur Erdoberfläche aufsteigt und dort in Turbinen Strom erzeugt, ähnlich wie es auch in einem konventionellen Kraftwerk geschieht.
Das Wasser aus Lagerstätten mit Temperaturen im Bereich von etwa 40 bis 100 Grad Celsius wird hingegen häufig als Thermalwasser genutzt. Traditionell fand diese Art der Hydrothermie-Nutzung an natürlichen, heißen Quellen statt; das Thermalwasser kann aber auch mit Pumpen gefördert werden.
Diese beiden Verwendungszwecke sind jedoch nicht die einzigen Möglichkeiten, die Wärme des Grundwassers sinnvoll zu nutzen. Eine weitere Nutzungsform ist die Erschließung von Grundwasservorkommen für die Wärmeerzeugung mithilfe von Grundwasser- bzw. Hydrothermie-Wärmepumpen. Diese haben den Vorteil, nicht auf besonders warme Vorkommen angewiesen zu sein. Sie können vielmehr fast überall errichtet werden, wo oberflächennahes Grundwasser in ausreichender Menge vorhanden ist.
Grundwasser wird mit Hydrothermie-Wärmepumpen zur Energiequelle
Hydrothermie-Wärmepumpen arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie Geothermie- oder Luft-Wärmepumpen: Sie entziehen ihrer jeweiligen Wärmequelle (in diesem Fall also dem Grundwasser) einen Teil seiner Wärmeenergie. Dazu kommt ein Wärmetauscher zum Einsatz, an dem die Wärmeenergie vom Grundwasser auf ein Wärmeträgermedium übergeht. Anschließend fließt der Wärmeträger zur eigentlichen Wärmepumpe, gibt dort die Wärme ab und fließt zurück zum Wärmetauscher. Die Wärmepumpe nutzt Strom, um die Temperatur der erhaltenen Wärme auf das benötigte Niveau anzuheben, und überträgt schließlich die so produzierte Wärme weiter – zum Beispiel an eine Heizungsanlage oder auch an ein Fernwärmenetz, das sie an die Abnehmer verteilt.
Das gleiche Prinzip der Wärmegewinnung nutzt übrigens auch die Aquathermie, ein eng verwandtes Verfahren. Anders als bei der Hydrothermie wird bei der Aquathermie nicht dem Grundwasser, sondern dem Oberflächenwasser (z. B. einem Fluss oder einem See) Wärme entzogen.
Was die Nutzung der Hydrothermie auszeichnet, ist ihre hohe Effizienz: Während zum Beispiel Luft-Wärmepumpen pro eingesetzter Kilowattstunde elektrischer Energie etwa zwei bis drei kWh Wärmeenergie und Geothermie-Wärmepumpen ca. vier kWh Wärmeenergie abgeben, liefern Hydrothermie-Wärmepumpen fünf oder sogar noch mehr kWh Wärmeenergie pro kWh elektrischer Energie. Je höher dabei die Temperatur des genutzten Grundwassers ist, desto besser ist auch die Energieeffizienz, denn es muss weniger Strom eingesetzt werden, um die gewünschte Temperatur zu erzielen.
Eine sehr effiziente Alternative zum Grundwasser als Basis für hydrothermische Verfahren ist daher das Abwasser. Denn dieses vereint einige entscheidende Vorteile: Es besitzt ein ganzjährig hohes Temperaturniveau von etwa zehn Grad Celsius im Winter und bis zu 20 Grad im Sommer, ist in großer Menge vorhanden und wird ständig neu produziert. Der Wärmeentzug behindert auch nicht die Abwasserreinigung in einer Kläranlage, denn bereits nach wenigen hundert Metern hat sich seine Temperatur durch den Zufluss neuen Abwassers und durch aus dem Erdreich aufgenommene Wärme wieder erholt. Zudem ist Abwasser leicht erschließbar. Die benötigten Wärmetauscher können direkt ins Kanalrohr integriert werden. Das ist sowohl während der Herstellung als auch nachträglich möglich, so dass zum Beispiel auch während einer Kanalsanierung die Technologie eingebaut werden kann, um die Wärmeenergie des Abwassers nutzbar zu machen.
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