Zeolith- Wärmepumpe:

Dieser Wärmepumpenprozess basiert auf der Eigenschaft von Zeolith, aufgrund seiner sehr großen inneren Oberfläche große Mengen Wasser speichern zu können und diese bei Erhitzung wieder abzugeben (analog: Trocknung von Silicagel im Backofen zur Wiederverwendung). Auch dieser Prozess findet in einem evakuierten

( 5 – 200 mbar) Apparat statt. Die Erhitzung des feuchten Zeoliths erfolgt hierbei entweder indirekt über einen Wärmeträger, der von einem Gas-/ Öl- oder Allesbrenner (Holz, Kohle,...) erhitzt wird oder durch ein elektrisches Heizelement mit dem überschüssigen Strom des BHKWs.

Auch hier wird das Arbeitsmittel aus dem Sorptionsmittel ausgetrieben was zu einer Erhöhung des Drucks im Behälter führt und das Wasser im Kondensator unter Wärmeabgabe zur Kondensation bringt. Die entstehende Kondensationswärme wird durch einen Wärmeaustauscher an den Heizkreis abgegeben. Nachdem der Zeolith seine Maximaltemperatur erreicht hat, wird er abgekühlt. Das kondensierte Wasser wird durch Zuführung von Umgebungswärme bei niedriger Temperatur verdampft und vom abgekühlten Zeolith wieder aufgenommen, wobei er sich sehr stark erwärmt. Diese Wärme wird ebenfalls zu Heizzwecken genutzt.

Nachdem das gesamte Wasser wieder im Zeolith gespeichert ist, beginnt der Prozeß von neuem.

Da es sich hierbei um einen diskontinuierlichen Betrieb handelt, der für ein Heizgerät ungünstig ist, läuft der Prozeß in zwei gleichen Modulen gegenläufig ab und gewährleistet Leistungsabgabe. Bezüglich der eingesetzten Primärenergie ergeben sich Nutzungsgrade im Bereich von 135% im Jahresmittel, somit eine Steigerung um etwa 30% gegenüber der Brennwerttechnik.

Die Verdampfungswärme aus der Umwelt kann der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser entzogen werden.  Auch der Anschluss von Solar-Absorbern an die Zeolith-Wärmepumpe ist möglich.

Zeolithkugeln:

Desorptionsphase

 

 

Die Trocknung des Zeolith erfolgt indirekt über einen Heißwasserkreislauf oder direkt durch ein elektrisches Heizelement. Das im Zeolith gespeicherte Wasser verdampft. Strömt nach unten und kondensiert. Die Kondensationswärme wird an den Heizungskreislauf abgegeben. Dieser Vorgang findet bei einem Unterdruck von 5 – 200 mbar statt.

 

Adsorptionsphase:

Nachdem der Zeolith seine maximale Temperatur erreicht hat wird er wiederabgekühlt. Das Wasser wird nun durch Einkopplung von Umgebungswärme aus den Solar- Kollektoren bei niedrigern Temperaturen verdampft und strömt nach oben.Der Zeolith nimmt den Wasserdampf auf und erhitzt sich dabei. Diese Wärme wird ebenfalls in den Heizkreislauf abgegeben. Nachdem das gesamte Wasser im Zeolith gespeichert wurde beginnt der Prozess von vorn.

 

Weitere Ideen:

Mit einer Wärmepumpe läßt sich in vielen alltäglichen Situationen Energie zurückgewinnen, die sonst in der Umwelt verpuffen würde. Beim Kochen mit einer Dunstabzugshaube wird erst teuer erwärmte Raumluft und Abdampf ungenutzt nach außen gepustet. Dieser Abluft könnte man in einem Wärmetauscher die Wärme entziehen und wieder der Raumluft zuführen.

Gleiches gilt für die Ablüftungen in Bad und Dusche ( evtl. ist da noch ein Wäschetrockner anzuschließen).Für Dusche und Wannenbad werden jährlich rund 1500 kWh Gas oder Strom verbraucht (drei Personen Haushalt) und fast ungenutzt in den Gulli gespült. Über einen Wärmetauscher kann man mindestens 75% der Wärmeenergie des Abwassers wiedergewinnen und damit das nächste Wannenbad finanzieren oder der Heizung unter die Arme greifen.

Aus der Abgasrestwärme bzw. der Strahlungswärme des Motors des BHKWs könnten auch noch einige kWh herausgekitzelt und einer sinnvollen Nutzung zugeführt werden. In modernen, luftdichten Niedrigenergiehäusern muß eine Be-/ Entlüftung eingebaut sein, um Kondensationserscheinungen und Schimmelbildung vorzubeugen. Hier bietet sich eine Wärmepumpe geradezu an, um der Abluft die Wärme zu entziehen und die Zuluft zu erwärmen.

Da der Motor des BHKWs belastet sein muß um Heizenergie über den Kühlkreislauf abzugeben, wird normalerweise der Generator mit einem Heizelement belastet, wenn sonst kein Strom benötigt wird. Hier könnte statt dessen der Kompressor der Wärmepumpe betrieben werden. Ungleich der Gewinnung von Wärme aus Niedertemperaturmedien ist im Bereich höherer Temperaturen ein Arbeitsmedium erforderlich, dass bei höheren Temperaturen verdampft und kondensiert. Hier bietet sich das Pentan- System an (Pentan als Kältemittel in Kompressoranlagen); es sind Vorlauftemperaturen bis zu 130°C erreichbar (Dampferzeugung).

Welche Umweltwärme eignet sich?

Sehr oft wird der Luft über einen außen montierten Wärmetauscher Wärme entzogen, was auch bei einer Außentemperatur von über 10°C recht effektiv ist. In den kalten Wintermonaten jedoch sinkt der Wirkungsgrad der Wärmepumpe erheblich- gerade dann, wenn die größte Wärmemenge benötigt wird. Eine weitere Quelle ist die Sonnenenergie, entweder über Solarkollektoren oder über Absorberschleifen dicht unter dem Erdboden. Die Erde bietet eine weitere Quelle für Niedertemperaturwärme:

Aus dem Innern der Erde fließt ein ständiger Wärmestrom an die Oberfläche. Jeden Tag strahlt die Erde unter unseren Füßen etwa die vierfache Menge der Energie an das Weltall ab, den die gesamte Menschheit an Energie zur Zeit benötigt. Dies wird sie auch in zwei oder drei Milliarden Jahren noch so machen. Die in der Erde gespeicherte Wärme ist also nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich. Sie steht unabhängig von Tages- und Jahreszeit oder den herrschenden Klimabedingungen zur Verfügung. Mit heutigen Technologien ist es möglich diese Ressourcen praktisch überall zu nutzen.

Je tiefer man in das Innere der Erde vordringt, desto wärmer wird es. Die Temperatur in den obersten Erdschichten nimmt im Mittel um 3° C pro 100 m zu. Im obersten Erdmantel herrschen nach heutigen Erkenntnissen ca. 1300 °C, im Erdkern erreichen sie wahrscheinlich 5000 °C. Unmittelbar an der Erdoberfläche werden die Temperaturen fast ausschließlich durch die Sonne bestimmt. Da der Boden die Wärme schlecht leitet, ist unterhalb einer Tiefe von 20 m kein Einfluß der Sonne mehr festzustellen.

Geothermische Energie: 

(weltweit bis 3000 m): 43 x 1024 Joule = 12 x 1018 kWh

davon 85%  < 100 °C entsprechend 36 x 1024 Joule = 10 x 1018 kWh

Weltenergieverbrauch:   

12 x 1013 kWh

davon 40% < 100°C entsprechend 4,8 x 1013 kWh

Verfahren:

Nutzung von geothermischer Energie:

Einerseits können direkte heiße Quellen genutzt werden, also Heißwasserquellen vulkanischen Ursprungs (z.B. Island) andererseits gibt es das HDR- Verfahren (Hot- Dry- Rock). In den meisten Gebieten der Erde gibt es keine heißen Quellen und so bleibt nur das HDR- Verfahren. Hierbei werden tiefe Löcher in den Erdmantel gebohrt und Wasser als Wärmeträger eingepreßt. Das nach oben gedrückte heiße Wasser kann für Wärmepumpen verwendet oder wenn die Bohrungen tief genug sind,  Wasserdampf zum Betrieb einer Turbine erzeugt werden.

In 5000m Tiefe herrscht eine Temperatur von 200°C, was mehr als ausreichend ist um eine Dampftemperatur von 130°C an der Oberfläche zu erzeugen und eine Turbine im Megawattbereich zu betreiben. Es müßten natürlich mehrere Löcher in einem Abstand von einigen hundert Metern gebort werden um ein entsprechendes Dampfvolumen zu erzeugen.

Weitere Wärmequellen sind das Grundwasser mit Saug- und Schluckbrunnen, wobei dem Grundwasser aus tieferen Schichten (dessen Temperatur konstant ist) über eine Wärmepumpe die Energie entzogen wird. Hierzu gehören auch tiefe Wasserführende Schichten (Aquifere), deren die Wärme genutzt werden kann.Auch die Gruben- und Tunnelwärme kann über das Drainagewasser genutzt werden, das Temperaturen bis 30°C erreicht. Diese Wärmenutzung ist besonders in den Alpenländern interessant (z.B. Schweiz). 

Für Grundstückbesitzer eignet sich ein Wärmepumpensystem entweder mit Grundwasseranbindung oder mit Erdsonden oder Flächenabsorbern unter dem Haus/ Rasen. Die Leistungsfähigkeit dieser Anlagen hängt von der Beschaffenheit des Untergrundes und dessen Wärmeleitfähigkeit ab. 

Wärmeentzugsleistung Bodenart
20W/ m   schlechter Untergrund, trockene Sedimente
50 W/ m Festgesteinuntergrund, nasse Sedimente
70 W/ m Festgesteinuntergrund mit guter Leitfähigkeit
80 – 100 W/ m   Grundwasserfluß in Kies und Sand

Grundwasserwärmegewinnung

 

 

 

Erdwärmekollektoren als in der Erde verlegten Rohrschlangen

 

 

 

Erdsondensystem

Flache Erdsonden ( 5 – 20m) können im Sommer auch umgekehrt verwendet und dann durch heißes Wasser aus den Solarkollektoren durchflossen werden und die Solare Wärme für den Winter in der Erde speichern. Das Erdvolumen wird so auf 25 – 30°C aufgeheizt und liefert dann im Winter Heizwärme.

 

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