Ein Energieproblem weniger

Wie wir alle wissen sind die fossilen Energien endlich. Zwar will man seit einigen Jahrzehnten auf regenerative Energien umstellen, doch ob dies wirklich zu 100% geht? Ich habe meine Zweifel. Eines der größten Probleme ist, das z.b. wir im Winter am meisten Energie verbrauchen, aber weniger Chancen haben, sie zu erzeugen. Weder kann man im Winter Warmwasser mit Sonnenkollektoren erzeugen, noch nennenswerte Mengen an Strom erzeugen. Natürlich gibt es auch noch den Wind, aber sinnvoll wird immer ein Mix aller möglichen Energielieferanten sein.

Ein Problem scheint jedenfalls gelöst zu sein. An der TU München wurde schon in den neunziger Jahren im Rahmen einer Doktorarbeit die Kombination eines Solarkollektors mit einer Wärmepumpe als Energieversorgung für Privathaushalte erprobt. Die dahinterliegende Idee war die, dass der Solarkollektor im Frühjahr bis Herbst Heißwasser erzeugt und die Wärmepumpe vom Herbst bis Frühjahr für die Heizung und Warmwasserversorgung eingesetzt wird. Die Wärmepumpe sollte auch Tage ohne Sonnenschein abfedern. Wenn die Sonne schien, war der Warmwasserverbrauch meist gering und der Doktorrand kam auf die Idee, den Solarkollektor mit der Wärmepumpe zu koppeln und heißes Wasser in den Untergrund zu pumpen. Die Idee war es den dortigen Wärmevorrat aufzufüllen. Die meisten Wärmepumpen verlieren nach einigen Jahren an Leistung weil mehr Wärme entnommen wird, als durch das umgebende Grundwasser/Gestein nachfliest. Dieser Abfall kann klein sein, er kann bei ungünstigen Bedingungen aber auch so groß sein, das sich der Betrieb nicht lohnt. Ob die Umkehrung funktioniert, also auch Wärme so gespeichert werden konnte, war noch nie vorher erprobt worden. Der Doktorrand hoffte im günstigsten fall die Wirkungsgradabnahme der Wärmepumpe zu verringern. Als Vergleich wurde in derselben Bodenschicht 100 m weiter eine zweite Wärmepumpe angebracht.

Erstaunlicherweise stieg in den drei Wintern die Energieausbeute der Wärmepumpe (berechnet als verbrauchter Strom im Verhältnis zur gewonnen Wärmeenergie) an. Das führte zu weiteren Doktorarbeiten, in denen das Phänomen über mehr als 10 Jahre an einer schon in den Achtzigern angelegten Wärmepumpe untersucht wurden. Nach fünf Jahren erreichte sie wieder die Sollleistung vor dem Abfall. Besonders der extrem sonnenreiche Sommer von 2003 führte zu einem Anstieg der Energieausbeute im folgenden Winter. Seitdem hat sich die gewonnene  Wärmemenge, je nach Sonnenscheindauer, im Sommer vorher im Winter auf 120% bis 140% des Ausgangswertes stabilisiert. Das scheint nach weiteren Versuchen auch bei neuen Anlagen der Fall zu sein. Inzwischen wurde der Versuchsaufbau soweit perfektioniert, dass das System automatisch funktioniert. In der ersten Form musste der Doktorrand noch von Hand die Ventile umschalten und die Pumpen an, inzwischen wurde ein an einem kleinen Solarmodul angeschlossener Mikrocontroller auf Basis eines ATMega entwickelt. Er und die Pumpen bekommen vom Solarmodul Strom, das ist im Sommer billiger als der Strom aus der Steckdose und spart eine Elektroinstallation, was vor allem bei Außenanlagen teuer würde. Gleichzeitig ist die Strommenge auch ein Maß für die verfügbare Energie der Solarkollektoren. Damit wird der Durchfluss zu der Wärmepumpe geregelt und zugleich auch diese mit dem Strom angetrieben. Unterhalb einer Schwelle die vom Benutzer festgelegt wird, wird nur Warmwasser für das Haus (Waschen, Duschen, Baden) erzeugt.

Die TU München hat nun erst die Ergebnisse veröffentlicht, zeitgleich mit der Gründung eines Unternehmens das die Technologie kommerziell vertreiben soll, als Spinn-off der Forschung: „Solarpump“. Nach Aussage von Jürgen Schmidt, Fachbereichsleiter der Fakultät Energieingenieurswesen, wollte man auf Nummer sicher gehen, dass der Effekt dauerhaft ist und in der Summe den Nutzen Kosten spart. Das ist sicher ein Seitenhieb auf die Wärmepumpe die in den Siebzigern und frühen Achtzigern als Heizform der Zukunft galten – bis absinkende Wirkungsgrade nach einigen Jahren und höhere Strompreise zu einem starken Einbruch bei den Installationen führten. Nach nunmehr insgesamt 17 Jahren Untersuchungen, davon bis zu 12 Jahren an einer Quelle sei man sich sicher, das es möglich ist Wärmenergie im Sommer zu gewinnen, und im Untergrund zu speichern um sie im Winter zu gewinnen. Der Wirkungsgrad beträgt je nach Untergrund zwischen 38 und 51%. Das klingt nach wenig, doch da im Juli bei uns bis zu 1000 Watt/m² einfallen erzeugt man auf diesem Weg im Sommer immer noch genug Wärme für den Winter. Solarkollektoren sind relativ preiswert herzustellen, verglichen mit den Investitionskosten für eine Wärmepumpe. Dazu benötigt man noch das von Solarpump vertriebene Steuermodul mit Microcomputer und Solar-Modul sowie Anschluss an Solarkollektor und Wärmepumpe. für ein Einfamilienhaus braucht man 12 m² Fläche etwa die doppelte Menge die man für die reine Warmwasserversorgung braucht. Das sind dann bei den heutigen Installationspreisen rund 4.500 Euro Investitionen. Dem stehen Einsparungen von 400 bis 500 Euro pro Jahr gegenüber, sodass sich die Anlage nach weniger als zehn Jahren amortisiert hat. Noch günstiger ist es bei Altanlagen die an Leistung verloren haben, da diese in etwa 5 Jahren die Normleistung wieder erreichen und sie danach sogar über den Ausgangspegel ansteigt. Hier sind Einsparung von bis zu 800 Euro pro Jahr möglich, verglichen mit dem Energieverbrauch einer sonst zusätzlich nötigen Heizung.

Es gibt allerdings auch grenzen. Mehr als 150% des Ausgangswertes konnte nie an Wärmeenergie gewonnen werden, selbst wenn man die Kollektorfläche vervierfachte. Dann scheinen offenbar Grundwasserströme angeregt zu werden, die die Wärme abtransportieren. Dieses Phänomen will man nun noch weiter untersuchen indem man durch zusätzliche Bohrungen in der Umgebung Meßsonden einbringen will, welche die physikalischen Parameter wie Temperaturm Leitfähigkeit, Druck etc. messen.

Doch schon in der heutigen Form scheint das System dazu geeignet den seit zwei Jahrzehnten dahinsiechenden Wärmepumpenmarkt wiederzubeleben, da diese Technologie nun wider rentabel ist. Wenn es nun noch gelänge den Strom den man im Winter für die Pumpe braucht im Sommer zu gewinnen und zu speichern, dann hätte man eine Heizung, die nur von regenerativer Energie gespeist wird.

3 thoughts on “Ein Energieproblem weniger

  1. Die Wärmepumpe ist nur effizient,wenn es Niedrigtemperaturheizkörper gibt.
    Hohe Vorlauftemperaturen sind damit nicht möglich.

    Eine Kostenersparnis zu thermischen Heizsystemen gibt es bei Wärmepumpen nicht. Hier wird halt in Strom und nicht in Gas, Öl oder Pellets abgerechnet, wobei der Stropreis stärker steigt als Gas.

    Zusätzlich zu den Wärmepumen haben alle die ich kenne noch eine rein elektrische Heizspirale die an den kälteren Witertagen die benötigte Vorlauftemperatur erzeugt.

    Durch die Solartechnik werden die Kosten zwar gesenkt, keine Frage, aber das Hauptproblem bleibt bestehen.

    An kalten Wintertagen zieht die Heizung abhängig von Hausgröße und Dämmung merhrere kW el. Energie aus dem Netz.

    Das Problem, wenn ein größerer Anteil der Haushalte z.B. 10 Millionen auf Wärmepumpen umsteigen, benötigen wir an den kalten Wintertagen jeweils 2 bis 6kW je Haushalt, das macht 20 bis 50GW Leistung und entspricht 10 bis 60 Großkraftwerken. Und dass an den Wintertagen bei denen die Solarstromeinspeisung keine Rolle Spielt. Und bei Sturmwindstärken auch kein Offshorwindpark Produziert. Bereits ohne die Wärmepumpen wird unser Netz in einigen Jahren im Winter zusammenbrechen. Und die von dem Politikern gerne herangezogenen Pumspeicherkraftwerke reichen in Summe noch nicht mal aus um 1 Großkraftwerk für einen Tag zu ersetzen.

  2. Irgendwie seh‘ ich den Witz nicht.
    „Underground Thermal Energy Storage“ wird schon seit Jahrzehnten eingesetzt und funktioniert auch – allerdings wird zum „Aufladen“ grundsätzlich Abwärme aus Klimaanlagen verwendet.

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