Projekt PANTHERM


Netzwerkprojekt PANTHERM

Basisdaten

Projekttitel:

Technologie-Netzwerk zur Implementierung einer integrativen Wärmeenergienutzung
in Thermalbädern der Westpannonischen
Region

FörderungsnehmerIn:

Universität für Bodenkultur Wien,
Department für Bautechnik und Naturgefahren,
Institut für Angewandte Geologie

Adresse:

Ansprechperson:

Telefon / Telefax:

E-Mail:

Peter Jordan-Straße 70, A-1190 Wien

o.Univ. Prof. DI Dr. Jean F. Schneider

+43 (0)1 47654 5400 / –5449

jean.schneider@boku.ac.at

FörderungsgeberIn:

Österreichische 
Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG)

Adresse:

Telefon / Telefax:

E-Mail:

Sensengasse 1, A-1090 Wien

+43 (0)5 7755 –0 / –97900

office@ffg.at

Inhalt

Partner

Kurzfassung

Themen

Impressionen

Redaktion:

Univ.Ass. Mag. Wolfgang Straka
Universität für Bodenkultur Wien,
Institut für Angewandte Geologie
+43 (0)1 47654 5403, wolfgang.straka@boku.ac.at

mit Beiträgen von:

ao.Univ. Prof. Dr. Karl Ponweiser
Technische Universität Wien,
Institut für Thermodynamik und Energiewandlung karl.ponweiser@tuwien.ac.at

DI Karl Gollob
Technisches Büro Karl Gollob KEG, Gänserndorf
karl.gollob@tele2.at

Mag. Gregor Götzl
Geologische Bundesanstalt Wien
gregor.goetzl@geologie.ac.at

sowie Unterstützung
durch:


alle weiteren Partner (s.u.)

Partner

1

Universität für Bodenkultur Wien,
Institut für Angewandte Geologie

A-1190 Wien, Peter Jordan-Straße 70

2

Promen Tanácsandó Kft.

H-9800 Vasvár, Petőfi S. u. 7. l. em. 8.

3

Technisches Büro Karl Gollob KEG

A-2230 Gänserndorf/Süd, Watzekgasse 55

4

Technische Universität Wien,
Institut für Thermodynamik und
Energiewandlung

A-1060 Wien, Getreidemarkt 9 / 302

5

Künig GmbH

A-6330 Kufstein, Gewerbehof 1

6

DI Günter Wanzenböck,
Ziv.-Ing. f. Maschinenbau

A-2201 Gerasdorf bei Wien, Preglstraße 3

7

Pannon Gazdasági Hálózat Egyesület
(Pannon Business Network Assoc.)

H-9027 Győr, Gesztenyefa u. 4.

8

Sárvári Gyógyfürdő Kft.

H-9600 Sárvár, Vadkert u. 1.

9

Büki Gyógyfürdő Zrt.

H-9740 Bükfürdő, Termál krt. 2.

10

Vadaš s.r.o.

SK-94301 Štúrovo, Pri Vadaši 2

11

Termálne kúpalisko Vincov les, s.r.o.

SK-92521 Sládkovičovo, Fučikova 340

12

Thermalpark ds, a.s.
(Kúpel’no-rekreačný areál, a.s.)

SK-92901 Dunajská Streda,
Gabčikovská cesta – areál kúpaliska

13

Terme Maribor,
turizem, zdravstvo, rekreacija, d.d.

SI-2000 Maribor, Ulica heroja šlandra 10

14

Multidisciplinarni Raziskovalni Institut Maribor

SI-2103 Maribor, Pod Gozdom 4

15

Go-spa S d.o.c.

SI-2250 Ptuj, Mariborska cesta 25c

16

Naravno zdravilišče Topolšica d.d.

SI-3326 Topolšica, Topolšica 77

Abb. 1 unten verzeichnet die Lage der Orte mit Thermalbädern, die Partner im Projekt waren. Weitere Partner haben ihren Sitz in und um Wien, Győr, Szombathely, Maribor und Ptuj.

Abb. 1 – Geografische Lage der Orte mit Thermalbädern als Projektpartner. Kartengrundlage aus: Österreichischer Atlas für höhere Schulen, 97. Aufl., Verl. Ed. Hölzel, Wien, 1970.

Abb. 2 – Arbeitstreffen in Sárvár, Ungarn. Die Teilnehmer stehen vor einer Betriebshalle, die zu den alten, heute nicht mehr genutzten Anlagen gehört.

Kurzfassung

Innerhalb Europas besitzen Ungarn und einige benachbarte Regionen eines der größten Potenziale zur Nutzung von geothermaler Energie aus unterirdischen Heißwasserreservoirs. Die Erschließung geothermaler Ressourcen, vorwiegend für balneologische Zwecke (Heil- und Thermalbäder), hat in diesem Raum zwar eine lange Tradition, eine energiewirtschaftlich optimale Nutzung der gewinnbaren Wärme sowie die Integration verschiedener Wärmeströme (Heizung, Kühlung, Abluft etc.) innerhalb der Verbrauchersysteme und Rückführung der wärmereduzierten Abwässer in den geologischen Entnahmehorizont jedoch haben sich bis dato nicht generell durchgesetzt. Dies ist auch deshalb bedauerlich, weil Thermalbäder geradezu ideale Objekte für ein integriertes Management der Wärmeflüsse auf niedrigem Temperaturniveau darstellen. Das liegt wiederum daran, dass kaum eine andere Betriebsform praktisch andauernd (nicht nur in der Heizperiode) Wärme benötigt, und zwar mit niedriger Temperatur, wie sie von den meisten Thermalwasserträgern tatsächlich geliefert wird. Das bedeutet weiters, dass (fremde) Abwärme und Solarenergie relativ leicht eingekoppelt werden können. Zusätzlich ist oft – bei Vorhandensein von Hotel- und/oder Therapieeinrichtungen – im Sommer auch Kühlbedarf gegeben.

Die in der Region gegebene technologische Entwicklung, speziell der Bäderszene, um eine Initiative in Richtung einer integrativen und daher sparsamen Nutzung aller vorhandenen Wärme- und Kältequellen zu bereichern, war das Ziel des Projektes „Technologie-Netzwerk zur Implementierung einer integrativen Wärmeenergienutzung in Thermalbädern der Westpannonischen Region“ (PANTHERM). Dieses Netzwerkprojekt wurde durch das Institut für Angewandte Geologie an der Universität für Bodenkultur, Wien – gemeinsam mit vier österreichischen und zehn ungarischen, slowakischen und slowenischen Partnern konzipiert und – von der Forschungsförderungsgesellschaft, Wien, im Rahmen des CIR-CE Förderprogramms zum überwiegenden Teil finanziert. Innerhalb der Laufzeit von Anfang September 2007 bis Ende August 2008 wurden Finanzmittel in Höhe von EUR 125.246,– benötigt, die Bundesförderung betrug EUR 92.731,– (74%).

Im Rahmen einer technischen Durchführbarkeitsstudie in einem Wellnessbad (eine von drei ausgewählten Referenzanlagen, weiter unten als „Referenzanlage 1“ bezeichnet) wurde demonstriert, in welcher Weise die vorhandenen Massen- und Energieströme in einem Thermalbad untereinander verknüpft werden können, sodass sich bei einem schonenden Umgang mit den gegebenen Ressourcen eine optimale Energieausbeute und damit verbundene Einsparungen erzielen lassen. Hauptnutznießer der materiellen Ergebnisse, bestehend im Wesentlichen aus einem Schema zur optimalen Gestaltung des Wärmeenergiehaushaltes sowie einem entsprechenden numerischen Planungsmodell, war vorerst demgemäß die besagte Wellnesstherme, wo die Ergebnisse in bereits vorhandene Planungen zur Verbesserung des Angebotes eingebracht und ein Demonstrationsprojekt angeregt werden konnte. Die anderen osteuropäischen Partner beteiligten sich mit eigenen Daten und Erfahrungen an dem Versuch, das erstellte Wärmerechenmodell zu einem numerischen Planungstool mit breiter Einsatzfähigkeit auch unter anderen technologischen Randbedingungen auszubauen. Dabei hat sich erwiesen, dass dieses Ziel – bedingt durch zu große funktionelle Differenzen der verschiedenen Anlagen – mit den vorerst gegebenen Mitteln nicht erreichbar war. Es wurde jedoch gemeinsame Erfahrung darüber aufgebaut, in welcher Weise die Kommunikation zwischen Beratern und Betreibern verbessert werden kann und welche Schritte gesetzt werden müssen, um dieses Ziel in Zukunft zu erreichen.

Durch den Erfahrungsaustausch in Zusammenhang mit gemeinsamen Exkursionen, Arbeitstagungen, Präsentationen und der Erstellung entsprechender Berichte und dieser Projekthomepage wurden darüber hinaus alle Partner auf einen gemeinsamen Kenntnisstand hinsichtlich der technologischen Möglichkeiten und der praktischen Verwertbarkeit sowie der Umweltfolgen einer integrativen Energietechnik für Heil- und Thermalbäder mit geothermaler Wärmequelle gebracht sowie die bisher bloß informellen Kontakte über Grenzen hinweg gestärkt und künftige Partner in weiteren Projekten identifiziert. Das ideelle Ziel des Projektes bestand außerdem darin, ein Netzwerk etablierter Anbieter, die aufgrund ihrer Vorbildwirkung nationale Entwicklungen zu beeinflussen vermögen, zum Proponenten dieser Technologie sowie einer konsequenten Umsetzung der Implikationen der neuen Umweltgesetzgebungen für den Thermalenergiebereich in den Partnerländern zu machen. Weitere Demonstrationsprojekte sind allerdings notwendig, um eine breitere Wirkung außerhalb des gegenwärtigen Netzwerkes zu erzielen. Auf strategischer Ebene werden die erworbenen Kenntnisse vorerst über die – mit einiger Regelmäßigkeit in allen Partnerländern abgehaltenen – Tagungen und Veranstaltungen zur Geothermie verbreitet.

Auf diesem Wege will das PANTHERM Netzwerk seine gemeinsame Kompetenz im Bereich des Energiemanagements auch künftig in die gewünschte Entwicklung einbringen. Zukünftige Projektvorhaben sollen sich Grundlagenforschungen auf dem Weg zu einem breiter anwendbaren Energieplanungsinstrument, den Fragen der nachhaltigen Nutzung von grenzüberschreitenden Thermalwasservorkommen und der Festlegung von Mindeststandards einer ausgewogenen Haushaltsführung mit Thermalenergie widmen.

Themen

Was ist ein Thermalbad – und woher kommt das Wasser?

Woher kommt die „Wärme“ – und warum unter Anführungszeichen?

Wie wird sie gewonnen – und welche Probleme können dabei auftreten?

Wie wird sie verwendet – und wie findet man heraus, ob und wie alles funktioniert?

Was kann man außerdem mit ihr machen – inklusive sparsam mit ihr umgehen?

Was kann PANTHERM zu diesen Themen beitragen?

Was ist ein Thermalbad – und woher kommt das Wasser?

Ein Thermalbad ist eine Einrichtung, in der Thermalwasser zu Heil- und Erholungszwecken verwendet wird. Thermalwasser ist Grundwasser oder Formationswasser (in geologischen Formationen eingeschlossenes Wasser), das aus dem natürlichen Grundwasserträger auf einem konstanten Temperaturniveau ≥ 20 °C gewonnen wird. Diese Mindesttemperatur erscheint willkürlich, wurde in unseren Breiten jedoch festgelegt, um sicher zu gehen, dass eine geothermale Erwärmung gegeben ist und nicht seichtes und unter sommerlichen Temperaturen der Oberfläche erwärmtes Grundwasser betrachtet wird (vgl. Abb. 3 unten, die orange Linie stellt die Situation im Hochsommer dar).

Abb. 3 – Einfluss von Sonnenstrahlung und Lufttemperatur auf den jahreszeitlichen Verlauf der Erdreichtemperatur. – Aus: Krien, M. (2003): Nutzung der oberflächennahen Geothermie mittels Luft/Erd-Register und Flüssigkeits-Erdwärmesonden für die Temperierung von Gebäuden. Diplomarbeit, FH Ulm.

Die Temperatur des Grundwassers entspricht zumeist der Temperatur des umgebenden Gesteins. An der Erdoberfläche – bis ca. 25 m Tiefe – treten dabei saisonale (< 1,0 m Tiefe auch tägliche) Schwankungen auf (Abb. 3). Bei jahrelanger Verweilzeit im Untergrund gleicht sich die Temperatur des Grundwassers jedoch im Allgemeinen der lokalen Jahresmitteltemperatur der Luft an, im mitteleuropäischen Flachland ist das ca. 10 °C, im Gebirge je nach Höhe entsprechend weniger. In Tiefen > 25 m steigt die Temperatur des Untergrundes und damit des eingeschlossenes Wassers mit dem örtlichen geothermischen Gradienten an, im Durchschnitt über alle Kontinente – und so auch in unserem Untersuchungsgebiet – ca. 30 °C pro km Tiefe, in vielen Regionen aber auch wesentlich mehr (geologisch sehr junge und/oder vulkanisch beeinflusste Regionen) oder weniger (geologisch sehr alte Teile der Kontinente). Lokale Temperaturerhöhungen bzw. erhöhte geothermische Gradienten werden häufig durch Thermalwasser verursacht, das aus großer Tiefe gegen die Erdoberfläche aufsteigt. So erklärt sich dann auch, warum es natürliche Austritte von Thermalwasser an der Erdoberfläche gibt (Thermalquellen). In den meisten Fällen muss Thermalwasser jedoch aus den Tiefen geholt werden, die – erstens – poröse Gesteine enthalten, die als Grund- oder Formationswasserträger fungieren, und – zweitens – die gewünschte Temperatur aufweisen. Eine erste Mindesttiefen- bzw. Temperaturschätzung ergibt sich dabei aus dem Zusammenhang „Temperatur in der gegebenen Tiefe = Jahresdurchschnittstemperatur der Erdoberfläche (10 °C) + geothermischer Gradient (30 °C / km) mal Tiefe (km)“.

Thermalbäder verwenden zumeist nicht nur Thermalwasser, sondern auch Kaltwasser aus seichten Brunnen bzw. dem örtlichen Trinkwasserversorgungsnetz. Es gibt dabei gar keine allgemein verbindliche Definition, wie hoch der Thermalwasseranteil sein muss, um die Bezeichnung „Thermalbad“ zu rechtfertigen (im Gegensatz dazu verlangt die Verwendung der Bezeichnungen „Bad“ im Ortsnamen oder „Heilbad“ eine Genehmigung nach gesetzlich festgelegten Kriterien).

Sowohl was das Angebot von Dienstleistungen für definierte Zielgruppen als auch was die physische oder bloß thermische Verwendung des Thermalwassers anlangt, gibt es völlig verschiedene Konzepte, vom exklusiven Kurbetrieb (in dem Baden nur bei gleichzeitiger Inanspruchnahme von Therapieangeboten möglich ist) bis hin zur Erholungseinrichtung für ein breites Publikum. In der jüngsten Vergangenheit (seit den 80er Jahren) war ein Trend – weg vom klassischen Mineralbad mit therapeutischer Ausrichtung und hin – zum Wellnessbad zu beobachten. Dabei standen und stehen – ob nun für die Allgemeinheit oder ein gehobenes Publikum – die Aspekte Entspannung, Bewegung, Ernährung und Gesundheit im Vordergrund. Ergänzt werden diese Trends vielfach durch geistige Tätigkeiten (z.B. Meditation), den Erlebniswert einer besonderen Lage (z.B. an der Konfluenzstelle zweier Flüsse), und auch historische Gebäude werden wieder verstärkt in bestehende Anlagen integriert oder auf alte Tradition Bezug genommen (römisches Bad). Methoden einer aktiven, vorausschauenden Beeinflussung der individuellen Gesundheit auf Basis von gesunder Ernährung, Anti-Aging, fern-östlicher präventiver Heilmethoden, alteuropäischer Tradition (keltische Baumtherapie u.dgl.) können als Trends für das kommende Jahrzehnt angesehen werden.

Woher kommt die „Wärme“ im Thermalbad? – Grundbegriffe, Erdwärme, Geothermie

Bei der Wärmequelle, die man am ehesten mit einem Thermalbad verbindet, handelt es sich um natürliches Thermalwasser, welches zumeist aus einiger Tiefe, nicht selten auch einige 1000 m tief, in der Erdkruste aus Bohrungen gewonnen wird. Bevor wir allerdings auf die Erscheinung der Erdwärme und mögliche Nutzungsformen zu sprechen kommen, sollen zunächst einige Grundbegriffe erläutert und auch durch einfache Beispiele verdeutlicht werden, was unter Wärme und Wärmenutzung unter wissenschaftlichen Gesichtspunkten zu verstehen ist.

Was ist Wärme und welchen Grundgesetzen folgt ihre Nutzung?

Die Wärme des Thermalwassers wird fühlbar, wenn man darin badet oder eine Thermalwasserleitung anfasst, und man hat dann zumeist das Gefühl, dass Wärme auf den Körper übertragen wird. Das stimmt auch, solange die Temperatur des eigenen Körpers kleiner ist, denn Wärme folgt immer einem Temperaturgefälle (so wie das fließende Wasser einem Druck- oder Höhengefälle). Insbesondere beim Baden ist jedoch vielfach das Gegenteil der Fall, Körperwärme wird an das Wasser abgegeben (die höchsten Badetemperaturen liegen nur ausnahmsweise über dem Bereich der Körpertemperatur). Unser Temperatursinn ist aber relativ, immer auch gegenüber der Erfahrung unter gewöhnlichen Umständen. Daher wird die Verminderung der gewöhnten Abgabe von Körperwärme an eine relativ warme Umgebung als „Wärme“ dieser Umgebung empfunden. Beim Baden ist die Wärmeabgabe an das Wasser zudem auch wesentlich effizienter als an Luft, da letztere eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit besitzt. Aus diesen Gründen muss sich der Körper auch weniger anstrengen, um die Innentemperatur zu regulieren (z.B. nicht schwitzen; unter großen Anstrengungen könnte man das allerdings auch im Wasser), und dies kann zumindest unter rein thermodynamischen Gesichtspunkten die entspannende Wirkung eines Warmbades erklären.

Der thermodynamische Wärmebegriff ist nun wesentlich strenger definiert, als die gewöhnliche Erfahrung uns dies nahe legt. Die Erfahrung eines Wärmeflusses wird nämlich häufig – und analog etwa zu einem Wasserfluss zwischen Speicherbecken in unterschiedlicher Höhenlage oder auf unterschiedlichem Druckniveau – mit der Vorstellung verknüpft, dass im Wasser, im Körper oder einem anderen „System“ ein Wärmeinhalt (oder sogar ein Kälteinhalt) existiert, der mit anderen Körpern („Systemen“) ausgetauscht werden kann. Es gehört jedoch zu den grundlegenden Erkenntnissen der Wärmelehre (Thermodynamik), dass Wärme sich nicht wie ein Stoff verhält und auch nicht den inneren Zustand von Systemen charakterisieren kann, sondern – wie mechanische Arbeit – eine Energieform darstellt, die nur beim Austausch von Energie zwischen Systemen in Erscheinung tritt. Was in der oben erwähnten Thermalwasserleitung – zusammen mit dem Wasser – transportiert wird, ist demgemäß nicht Wärme, sondern die innere Energie des Thermalwassers (sie ist darin als Bewegungsenergie der atomaren und molekularen Bestandteile sowie als chemische und – für alle praktischen Zwecke zumeist unerhebliche – nukleare Bindungsenergie enthalten). Durch den fühlbaren Wärmestrom nach draußen wird die innere Energie des Wassers in der Leitung vermindert und die innere Energie der Umgebung entsprechend erhöht. Die Verminderung oder Erhöhung der inneren Energie kann nicht direkt gemessen werden (nicht überraschend, wenn man obige Definition betrachtet), sondern wird indirekt über die Änderung der Temperatur erfasst. Die Temperatur ist – ebenso wie Druck oder innere Energie – eine Größe, die (im Gegensatz zur Wärme) den inneren Zustand eines Systems charakterisieren kann. Eine messbare Änderung von Druck und Temperatur bedeutet daher eine Änderung dieses inneren Zustandes (der inneren Energie). Wärme ist dabei diejenige Energie, die selbsttätig und ohne mechanische Arbeit zu- oder abgeführt wird. Sie tritt immer auf, wenn und solange ein Temperaturgefälle vorhanden ist.

Zur Verwirklichung dieser Energieübertragung gibt es drei verschiedene Möglichkeiten (Wärmetransportmechanismen): Wärmeleitung, Konvektion – das ist Energiemitführung in Strömungen – sowie Strahlung. Häufig überlagern sich zwei oder sogar alle drei dieser Mechanismen (siehe Abb. 4 unten). Thermalwasser in der besagten Rohrleitung zum Beispiel verliert „Wärme“ (eig. innere Energie) infolge Wärmeleitung durch die Rohrwandung und zugleich Abstrahlung von der Wandoberfläche nach außen an die Umgebung. Dies wird im Allgemeinen durch eine Dämmung mit geringer Wärmeleitfähigkeit (Schaumstoff mit schlecht leitender Luft in sehr zahlreichen kleinen Poren) und einer reflektierenden Oberfläche (Aluverkleidung) bestmöglich unterbunden. – Im Gegensatz dazu werden im Inneren der Rohrleitung Wasser und thermische Energie („Wärme“) möglichst effizient und ohne Verluste an den Ort ihrer Nutzung transportiert. Der „Wärmestrom“ wird dabei durch folgende Formel quantifiziert:

Wärmestrom (in Joule pro Sekunde) = Massenstrom (in Kilogramm pro Sekunde) mal Wärmekapazität des Wassers (in Joule pro Kilogramm und Kelvin) mal Temperaturdifferenz (in Kelvin, für unsere Zwecke gleichbedeutend mit Grad Celsius)

Abb. 4 – Energieströme und Wärmeübertragungsmechanismen bei einem Schwimmbecken im Außenbereich. Abbildungsgrundlage aus: Kleemann & Meliß (1988): Regenerative Energiequellen. Springer, Berlin (u.a.). – Bezüglich der Wärmeverluste treten alle drei möglichen Wärmetransportmechanismen in Erscheinung. Die Verdunstung von Wasser („humidification“) ist wegen der hohen Verdampfungswärme des Wassers ein sehr wesentlicher Verlustfaktor, stellt jedoch keinen Wärmetransportmechanismus dar; der notwendige Wärmeabtransport geschieht diesfalls durch Konvektion (auch erzwungene Konvektion, vor allem durch Wind).

Nachdem nun das Wasser zwar eine bestimmte Temperatur aufweist, in der Formel aber eine Temperatur-Differenz verlangt wird, erhebt sich die Frage: Differenz zu welcher anderen Temperatur? Und da sieht man nun die Problematik der Redeweise vom „Wärmestrom“ in einer Rohrleitung. Tatsächlich tritt Wärme – wie oben erklärt – erst in Erscheinung, wenn wir das System „Rohr“ mit einem anderen System, zum Beispiel „Wohnraum“, in Verbindung bringen, zu dem eine Temperaturdifferenz, sagen wir zum Beispiel (wir wollen heizen): ein Temperaturgefälle, besteht. Dann wird Wärme in den Wohnraum „fließen“, das Wasser im Rohr dadurch einen Teil seiner inneren Energie abgeben, und das Ausmaß der abgegebenen Energie (Wärme) ist durch eine „entsprechende“ Abnahme der Wassertemperatur messbar. Die Entsprechung wird durch die oben angegebene Formel ausgedrückt, das heißt: wir müssen den Massenstrom des Wassers sowie die Temperatur vor und nach Wärmeabgabe kennen bzw. messen (die Wärmekapazität des Wassers ist für alle möglichen Druck- und Temperaturbedingungen bekannt), dann errechnet sich aus obiger Formel die vom Wasser als Wärme abgegebene Nutzenergie. Falls es irgendwo noch ein weiteres System gibt (z.B. Zuluft einer Klimaanlage), das eine noch niedrigere Temperatur als das Abwasser der ersten Nutzung aufweist, dann kann die im Wasser verbliebene thermische Energie einer weiteren Verwendung zugeführt werden. Die Wassertemperatur wird dabei nochmals sinken (wieder entsprechend der tatsächlich abgegebenen Nutzenergie). Man spricht bei solchen hintereinander geschalteten Nutzungen auf sukzessive geringerem Temperaturniveau von einer „kaskadischen“ Nutzung. Ein beispielhaftes Schema für ein Thermalbad, in dem das Thermalwasser am Brunnenkopf bei über 100 °C gewonnen und zunächst auf hohem (z.B. Stromgewinnung, Absorptionskältemaschine) und anschließend auf mittlerem Temperaturniveau (z.B. für eine Niedertemperaturheizung) verwendet wird, bevor es in den eigentlichen Badebetrieb gelangt, wird in Abb. 5 unten wiedergegeben. Hierbei wird auch angenommen, dass das abgekühlte Thermalwasser – wie heute bei Geothermieanlagen allgemein üblich – wieder in den Untergrund (Thermalwasserleiter) verpresst werden muss. Das gilt aus hygienischen Gründen allerdings nicht für das verbrauchte Badewasser (siehe ganz rechts in der Abbildung, der Abwasserkanal ist nicht mit eingezeichnet).

Abb. 5 – Schema einer kaskadischen Energienutzungskette für den Fall eines Thermalbades. Das Schema entspricht keinem realen Betrieb, sondern soll die allgemeinen Ausführungen oben illustrieren. Es vergegenwärtigt zudem ein hydrothermales Nutzungsschema mit geothermaler Dublette, siehe folgender Abschnitt „Was ist Erdwärme bzw. Geothermie“.

Wärme kann einem System natürlich nicht nur (sukzessive) entnommen, sondern thermische Energie kann auch (ggf. sukzessive) zugeführt, man sagt oft: „eingekoppelt“ werden. Beides geschieht zumeist entweder unter Einsatz von Wärmeüberträgern („Wärmetauschern“), das sind Apparate, die zwei Fluide (flüssige oder gasförmige Arbeitsmedien) über gut leitende Trennwände in thermischen, nicht aber in unmittelbaren Kontakt zueinander bringen; oder im Falle von wasserbetriebenen Systemen auch durch Mischung von Wässern ungleicher Temperatur. Die Mischbarkeit insbesondere natürlicher Wässer darf dabei nicht ohne weiteres vorausgesetzt werden (Möglichkeit von Korrosions- oder Fällungsreaktionen). Eingekoppelte Wärme stammt häufig aus der Abwärme von Hochtemperaturanlagen (Strom- oder Gasheizung, industrielle Abwärme u.dgl.). Bei der Wärmezufuhr ergibt sich eine Temperaturerhöhung ganz nach dem Muster der schon beschriebenen Wärmeabgabe (einschließlich Formelzusammenhang), nur mit umgekehrten Vorzeichen. In jedem Fall entsprechen – bei gegebenem Massenstrom – die Anteile thermischer Energie, die an verschiedenen Stellen eingekoppelt werden oder verschiedenen Nutzungen zufließen oder schließlich ungenutzt bleiben, den Temperaturdifferenzen, die mit der jeweiligen Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr verbunden sind. Die gesamte thermische Energie im System kann also – bei gegebenem Massenstrom – nach Temperaturniveaus aufgeteilt werden.

Nehmen wir zum Beispiel ganz schematisch an, Thermalwasser würde bei 100 °C zugeleitet und bei 35 °C in den Untergrund oder ins Abwasserkanalsystem verbracht; nach einer ersten Verwendung eines Teiles dieser „Wärme“ (sie entspricht der gegebenen Temperaturdifferenz von 100 – 35 = 65 °C) hätte das Thermalwasser eine Temperatur von nur mehr 80 °C; die Rücklauftemperatur einer nachgeschalteten Heizanlage würde konstant 50 °C betragen (sehr unwahrscheinlich, aber nur zur Demonstration), und nach Durchlaufen der Badeanlagen (Zuheizen durch Wärmetauscher und direkte Verwendung im Becken) würde schließlich Abwasser auf 35 °C verbleiben. Daraus lässt sich ableiten, dass in diesem Beispiel, bei konstantem Massenstrom über eine bestimmte Zeitspanne, (100 – 80) / 65 = 30,8 % der Gesamtenergiemenge im betrachteten Zeitabschnitt für die Stromproduktion sowie nach demselben Schema 46,2 % für Heizung und zuletzt 23,1 % für das Badevergnügen genutzt wurden. (Diese einfache Rechnung gilt nur dann, wenn der Massenstrom jeweils zur Gänze durch aufeinander folgende Nutzeinheiten geführt und diese nicht durch Teilströme versorgt werden; im letzteren Fall müssten diese Teilströme separat aufgegliedert werden.) Ein Beispiel für eine solche Aufgliederung der Wärmeenergie nach Temperaturniveaus bringt Abb. 6 unten für den Fall einer Wärmeversorgung mittels Tiefenwärmetauscher (tiefe Erdwärmesonde) in zwei Varianten, mit und ohne Wärmepumpe. Erdwärmesonden und Wärmepumpen sowie deren sinnvoller Einsatz werden in den beiden folgenden Abschnitten noch näher besprochen.

Abb. 6 – Wärmeflussdiagramme für das Beispiel einer geplanten Wärmeversorgung mittels Tiefenwärmetauscher (Erdwärmesonde), Variantenvergleich (oben:) ohne und (unten:) mit Wärmepumpe. Die Breite der „Energiebalken“ entspricht dem relativen Ausmaß der Energieströme (in kW); als Referenztemperatur (Umgebungstemperatur) des Systems wurde 0 °C gewählt. Wärmeenergieströme beziehen sich – wie im Text weiter oben erläutert – immer auf eine Temperaturdifferenz, d.h. z.B. ein Wärmestrom für eine bestimmte Wassermenge pro Sekunde bei 35 °C kann nicht ohne weiteres angegeben werden; erst der Bezug auf die Referenztemperatur von 0 °C ergibt in diesem Beispiel (dessen weitere Randbedingungen hier nicht dargestellt werden) einen Wärmeenergiestrom von 658 kW am Einlauf links (= Rücklauf eines Heizsystems). Die Wärmepumpe (Bild unten) entzieht diesem Energiestrom Wärme in einem Ausmaß, das einer Abkühlung von 35 °C (der Rücklauftemperatur des Heizsystems) bis 10 °C (der Vorlauftemperatur der Erdwärmesonde) entspricht; der Rest – grau dargestellt – kann in keinem Fall genutzt werden (ist „Anergie“, siehe Abschnitt „Wärmepumpen“ weiter unten). Die Wärmepumpe nimmt dann zusätzlich Energie aus der Erdwärmesonde auf (blau), wird durch elektrische Energie – die dabei letztlich ebenfalls in Wärme umgewandelt wird – mechanisch angetrieben (rot), und speist diese thermische Gesamtenergie bei 76 °C in den Vorlauf des Heizkreislaufes ein. Zur Heizung wird Nutzenergie jedoch nur im Ausmaß entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf (76 °C) und Rücklauf (35 °C) des Heizsystems abgegeben. Der nicht verwendete Anteil (grauer Balken rechts) wird zur Wärmepumpe zurückgeführt (von links im Diagramm wieder herangeführt). Dieser Rücklauf kann das Arbeitsmedium der Erdwärmesonde (Wasser) jedoch nur bis auf seine eigene Temperatur (35 °C) abkühlen; die weitere Abkühlung (auf 10 °C) findet durch die Wärmepumpe statt, womit sich der Kreislauf schließt. – Im Unterschied zur Situation ohne Wärmepumpe (Bild oben) kann mehr Heizenergie auf einem höheren Temperaturniveau zur Verfügung gestellt werden. Allerdings muss auch – relativ teure – Antriebsenergie zur Verfügung gestellt werden. Der Unterschied in der Wärmeleistung des Tiefenwärmetauschers (dunkelblau) erklärt sich folgendermaßen: Ohne Wärmepumpe (oben) wird das Arbeitsmedium Wasser bei 35 °C in die Erdwärmesonde gepumpt und in der Erde in diesem Beispiel auf 60 °C aufgeheizt (man kann sich vorstellen – obwohl das zumeist nicht der Fall sein wird –, dass der Heizungsrücklauf sogar direkt in die Bohrung fließt; die Erwärmung in der Erde beträgt im Beispiel 25 °C). Mit Wärmepumpe (unten) dagegen kann das Arbeitsmedium der Erdwärmesonde auf 10 °C weiter abgekühlt und in der Erde auf 43 °C wieder aufgeheizt werden (Erwärmung 33 °C), was tatsächlich – trotz niedrigerer Auslauftemperatur am Bohrkopf – einer höheren Wärmeleistung der Erdwärmesonde entspricht. Man muss bei der Interpretation des Wärmeflussdiagramms bedenken, dass nur die Energieströme, nicht aber die Massenströme dargestellt werden. Als Interpretationshilfe wird daher durch die rot punktierte Linie angedeutet, in welcher Reihenfolge (Pfeilrichtung) das Arbeitsmittel der Erdwärmesonde die verschiedenen Temperaturniveaus durchläuft. Der Heizkreislauf ist auf den rechten Teil des Bildes beschränkt (Vorlauf 76 °C, Rücklauf 35 °C). Darüber hinaus arbeitet die Wärmepumpe mit einem eigenen (niedrig siedenden) Arbeitsmittel: Ohne Wärmepumpe müssen unter Umständen also nur ein einziger Kreislauf, mit Wärmepumpe dagegen jedenfalls drei Kreisläufe (Erdwärmesonde, Wärmepumpe, Heizsystem) realisiert werden.

Zuletzt noch eine Bemerkung zum Begriff „System“: Dies ist in der Thermodynamik jeder passend definierte Körper oder Raum, über den die Energieströme bilanziert werden. Was passend ist, hängt von der Fragestellung ab und wird pragmatisch so festgelegt, dass sich das Problem gut überblicken und möglichst einfach und/oder übersichtlich lösen lässt. Es kann sich das eine Mal um ein Wasserbecken (wie in Abb. 4 oben), die Erdwärmesonde oder einen beheizten Raum (vgl. Abb. 7 unten), ein andermal um den gesamten Wasserkreislauf (in Abb. 6 wird über zwei Teilkreisläufe bilanziert) oder einen Gebäudekomplex handeln.

 

Was ist Erdwärme bzw. Geothermie?

 

Erdwärme nennt man die thermische Energie des Erdinneren. In der Praxis geht es zumeist um die „Wärme“, die man der Erde entziehen kann, um in verschiedener Weise Nutzen daraus zu ziehen. Unter Geothermie versteht man dann die Beschäftigung mit den Grundlagen und der Praxis der hierfür, aber auch für die Speicherung und Wiederentnahme von Abwärme, geeigneten Methoden.

Es mag überraschen, dass 99% des Erdinneren mehr als 1000 °C heiß sind. Die entsprechende Wärmeenergie ist zum größten Teil aus der Erdentstehungszeit übrig geblieben (stammt also letztlich aus der Gravitation des Präsolarnebels). Darüber hinaus jedoch ist die, wiewohl relativ kühle – im Mittel nur ca. 40 km mächtige – Erdkruste unter den Kontinenten ebenfalls eine bedeutende Wärmequelle. Die Ursache hierfür ist der andauernde Zerfall radioaktiver Isotope der chemischen Elemente Uran, Thorium und Kalium, die in der kontinentalen (nicht in der ozeanischen) Kruste relativ angereichert sind. (Allein dieser Anteil produziert theoretisch etwa das Doppelte des gegenwärtigen Weltenergieverbrauchs.) Der beständige Wärmestrom aus der Erde in den Weltraum verursacht an der Erdoberfläche eine Wärmeflussdichte, die auf den Kontinenten gemittelt ca. 57 mW (Milliwatt) pro m2 beträgt. Dies ist zwar einerseits um ca. 4 Größenordnungen geringer als die durchschnittliche Sonneneinstrahlung; eine 60 W Glühbirne würde unter den Bedingungen der Erdoberfläche offensichtlich ein Versorgungsfeld von nicht weniger als ca. 1000 m2 benötigen. Andererseits jedoch wird die Geothermie kaum durch zeitlich wechselnde Einflüsse wie eine Wolkendecke, Windstille und dergleichen beeinflusst, sodass letztlich die Verfügbarkeit der geothermalen Energie doch höher ist als etwa Solar- oder Windenergie.

Die Nutzungsform der Erdwärme wird im Allgemeinen durch das erforderliche Temperaturniveau bestimmt. Nachdem dieses wiederum von der erreichten Tiefe abhängt, wird eine tiefenabhängige Einteilung der Verfahren angewandt und die Grenze seichte / tiefe Geothermie (zumindest in Europa) bei ca. 400 m angenommen. Bei einem durchschnittlichen geothermischen Gradienten (Temperaturzunahme mit der Tiefe) um 3,0 °C pro 100 m herrscht in dieser Tiefe (400 m) eine Temperatur, die in etwa der üblichen Raumtemperatur entspricht (jahresdurchschnittliche Temperatur der Erdoberfläche, im mitteleuropäischen Flachland ca. 10 °C, plus 4 mal 3,0 °C = ca. 22 °C), das heißt normalerweise: im Tiefenbereich bis 400 m kann einerseits ohne Wärmepumpe nicht geheizt, andererseits mit dem Untergrund aber auch gekühlt werden. Darüber hinaus liegt hier in vielen Sedimentbecken der Grenzbereich zwischen süßen und salzigen Porenwässern, sodass eine etwaige Entnahme von heißem (salzhältigem) Wasser aus größeren Tiefen unter anderen technischen Voraussetzungen stattfindet. In der seichten Geothermie wird zumeist jedoch ohnehin nicht mehr als 100 m gebohrt, weil sonst (neben dem wasserrechtlichen auch) ein verhältnismäßig aufwändiges bergrechtliches Genehmigungsverfahren notwendig wird.

Außerdem wird unabhängig von der Tiefenreichweite zwischen zwei Grundtypen der Wärmeentnahme unterschieden, wobei der Wärmeträger Grundwasser bzw. Formationswasser eine entscheidende Rolle spielt (Formationswasser ist ehemaliges Meer- oder Grundwasser, das im Zuge der Umwandlung der Sedimente in Sedimentgesteine im Porenraum eingeschlossen und durch chemische Lösungs- und/oder Fällungsvorgänge verändert wurde). Das warme Gestein kann ja nicht entfernt werden, wohl aber das darin vielfach enthaltene Fluid (Wasser, Öl, Gas), das in bohrtechnisch erreichbaren Tiefen ≤ 10 km zumeist in flüssiger Form vorliegt und je nach Porosität und Durchlässigkeit des Gesteins sowie den Druckverhältnissen im Reservoir in eine offene Bohrung unter geringerem Druck einströmen und aufsteigen wird (die Gleichgewichtsdruckhöhe liegt sehr häufig knapp unterhalb, vielfach aber auch beträchtlich über der Erdoberfläche, im letzteren Fall wird das Reservoir als überhydrostatisch bezeichnet und erlaubt eine gewisse Förderung auch ohne Pumpe). Man unterscheidet grundsätzlich die Entnahme der Erdwärme und/oder Speicherung von Abwärme (1) ohne direkte Involvierung des Grund-/Formationswassers (Erdwärmesonde) von einer Entnahme oder Speicherung durch (2) Förderung bzw. künstliche Zirkulation von Wasser als Wärmeträger (hydrothermales Verfahren):

Erdwärmesonden: Grundsätzlicher Vorteil dieser Methode ist, dass sie so gut wie überall umgesetzt werden kann. Das Vorliegen von wassergesättigten Horizonten (häufig Teil eines hydrologischen Zirkulationssystems, das mit dem Grundwasser auch Wärme antransportiert) ist dabei im Falle der seichten Geothermie unter Umständen günstig. Wenn jedoch an eine Speicherung und spätere Wiederentnahme von Abwärme gedacht wird, muss eine Grundwasserbewegung ausgeschlossen sein, was in tiefen stark salzhältigen Formationswasserkörpern zumeist tatsächlich der Fall ist. – In diese Kategorie gehört auch die oberflächennahe Geothermie (zumeist ≤ 10 m) unter Verwendung von Kollektoren, die im Erdreich verlegt, in Bodenplatten, Schlitzwände oder Ortbetonpfähle eingebaut werden und dergleichen. Die Möglichkeiten einer geothermischen Nutzung von Bauelementen und auch der Erdwärme sowie der Abwässer aus Tunnelbauwerken wird derzeit sehr innovativ weiter entwickelt. Kollektoren und seichte Wärmesonden im Verein mit Wärmepumpen sind dagegen schon lange weit verbreitet (erster Boom nach dem Ölschock zu Beginn der 70er Jahre), nehmen jedoch weiterhin einen beständigen Aufschwung, mit Zehntausenden Anwendungen in jedem der diesbezüglich führenden Länder wie USA, Schweden, Schweiz, aber auch Österreich (ein Extrembeispiel ist die Militärbasis Fort Polk in Louisiana, USA, mit allein ca. 8000 Erdwärmesonden zu je 60 m Tiefe und ca. 4000 Wärmepumpen). Im Bereich der tiefen Geothermie ist eine gänzliche Neuerrichtung von Anlagen dieser Art wirtschaftlich nicht vertretbar, es wird daher gegenwärtig versucht, schon bestehende tiefe Bohrungen für geothermale Zwecke zu adaptieren.

Hydrothermales Verfahren: Im Bereich der seichten Geothermie sind das vielfach „offene“ Nutzungen mit Entnahme- und Schluckbrunnen im ersten Grundwasserstockwerk zum Betrieb einer Wärmepumpe. Ein erfolgreiches Demonstrationsprojekt zur Klimatisierung des Berliner Reichstages verbindet die Speicherung und Wiederentnahme sowohl von Wärme als auch von Kälte durch künstliche Zirkulation von Wasser eines seichten (ca. 50 m) und eines tieferen Grundwasserleiters (ca. 300 m) in saisonal wechselnder Richtung: Ein solches System setzt eine hydrologische Isolation der betreffenden Grundwasserhorizonte voraus. – Im Bereich der tiefen Geothermie unterscheidet man weiter zwischen (a) Nutzungen vorhandener Formationswasserkörper und (b) den Enhanced Geothermal Systems (EGS, auch HDR für Hot Dry Rock). Letztere streben eine künstliche Schaffung der erforderlichen Wasserspeicher- und –transportkapazität in festen Gesteinen des Untergrundes an, wo diese nicht oder nicht ausreichend schon von Natur aus vorhanden ist. Dies geschieht durch Aufbrechen des Gebirges durch Hochdruckinjektion von Wasser und speziellen Partikeln (Glaskugeln) über eine Bohrung. Die Partikel verhindern nach Druckabfall, dass sich die eben aufgerissenen Klüfte wieder schließen. Durch seismische (sog. mikro- oder nanoseimische) Methoden wird zugleich die Ausbreitung des induzierten Bruchsystems beobachtet, damit in weiterer Folge die ergänzenden Bohrungen (im Allgemein zwei zu beiden Seiten der ersten) gezielt in den Bereich des neu geschaffene Kluftnetzes hinein gelenkt und damit ein funktionierendes Zirkulationssystem Bohrung 1 – Kluftnetz – Bohrung 2 und 3 geschaffen werden können. Das induzierte Kluftsystem fungiert sodann als unterirdischer Wärmetauscher.

Hydrothermale Geothermieanlagen werden vor allem zur Bereitstellung von Wärme zur Heizung und Warmwasserbereitung sowie zur Stromerzeugung eingesetzt und zumeist durch eine sog. geothermale Dublette aus je einer Produktions- und Re-Injektionsbohrung realisiert (vgl. Abb. 4 oben). Singlettenbetrieb (mit nur einer Bohrung) ist die Ausnahme, weil die Zusammensetzung der meisten geförderten (oft hoch salinaren) Tiefenwässer sowie umwelt- und wasserrechtliche Bestimmungen im Allgemeinen eine Wiederverpressung des Wassers nach Wärmeentzug in den Förderhorizont implizieren, das heißt es wird im Allgemeinen die Errichtung eines Wasserkreislaufes verlangt. Thermalbäder sind hierbei – vermutlich infolge der relativ geringen erforderlichen Produktionsmengen – allerdings häufig anzutreffende Ausnahmen. Der Grund- oder Formationswasserhorizont, in dem das zirkulierende Wasser wieder aufgeheizt werden soll, muss einerseits eine ausreichende Wasserleitfähigkeit, darf jedoch andererseits keine stark bevorzugten Wasserwege aufweisen, die von beiden Bohrungen einer Dublette geschnitten werden, da sonst der sog. thermische Durchbruch des abgekühlten Wassers zur Produktionsbohrung frühzeitig eintreten und die Amortisation der Anlage verzögern würde. Die Entfernung der beiden Bohrungen zueinander spielt naturgemäß ebenfalls eine Rolle. Es sind sowohl Poren- als auch Kluftgrundwasserleiter geeignet, typischerweise sind das Sandsteine mit ca. 10 bis max. 30 % Porosität bzw. Karbonatgesteine (Kalkstein, Dolomit). Letztere weisen zwar häufig einen geringeren durchschnittlichen Hohlraumanteil, dafür jedoch größere Schichtmächtigkeiten und Zonen besonderer Durchlässigkeit (tektonische Störungen und begleitende Zerrüttungszonen) auf, manchmal aber auch Bereiche mit erweiterter Hohlraumbildung, die auf frühere Verkarstung zurückgehen (z.B. der sog. Malm-Aquifer im Untergrund des nördlichen Alpenvorlandes). In den Kluftgrundwasserleitern ist es zumeist günstig, mit der Bohrung eine Störung anzuschneiden. Karbonatgesteine bieten zudem gute Chancen, die Ergiebigkeit durch Säurestimulation (Salzsäure mit Anteilen von Zitronen- oder Ameisensäure, unter Druck eingepresst und anschließend rückgefördert) zu steigern oder ggf. überhaupt erst zu erreichen.

Wärmepumpen – Sinn und Zweck

Häufig hat die Wärmequelle nicht das erforderliche Temperaturniveau, um alle gewünschten Nutzungen abzudecken. Es erhebt sich dann zumeist die Frage nach dem Einsatz einer Wärmepumpe. Eine Wärmepumpe ist ein Apparat, der Wärme aus einer Quelle niedriger Temperatur aufnehmen und nach Zufuhr mechanischer Arbeit (und angetrieben durch elektrische Energie, einen Gasmotor u.dgl.) Wärme auf höherem Temperaturniveau wieder abgeben kann. Dabei wird keine Energie „produziert“, sondern diese wird der Quelle entnommen (und dadurch diese wiederum abgekühlt) sowie – vermehrt durch die Antriebsenergie, die letztlich ebenfalls in Wärme umgewandelt wird – an eine Nutzanlage abgegeben, nur eben auf höherem Temperaturniveau als das der Wärmequelle. Die erforderliche Antriebsenergie kann mit etwa einem Drittel der der Quelle entnommenen Wärmeenergie abgeschätzt werden (beide gemessen in Joule pro Zeiteinheit). Das Verhältnis der abgegebenen Wärme zur mechanischen Antriebsleistung wird Leistungszahl genannt. Die über das Jahr insgesamt tatsächlich abgeführte Wärmemenge relativ zur gesamten mechanischen Arbeit, die zugeführt werden musste, nennt man dagegen Jahresarbeitszahl. Richtwerte der Jahresarbeitszahl von Kompressionswärmepumpen (die in der Realität allerdings beträchtlich unter- oder überschritten werden können) betragen für Umgebungsluft als Wärmequelle ca. 3, für Grundwasser ca. 4, während Erdwärmesonden etwa in der Mitte zwischen diesen Werten angesiedelt sind.

Über den sinnvollen Einsatz von Wärmepumpen entscheidet immer das Gesamtkonzept eines wärmetechnischen Systems. In der Vergangenheit wurde bei der Installation vieler Erdwärmeanlagen auf eine entsprechende Analyse verzichtet. Dementsprechend groß ist deshalb oft die Differenz zwischen Wunsch oder Plan und Realität (zwischen Prüfstandswerten der Wärmepumpen und gemessenen Jahresarbeitszahlen). Grundsätzlich ist stets zu beachten, dass eine Wärmepumpe am besten dort zum Einsatz kommt, wo lediglich eine geringe Temperaturanhebung zu bewerkstelligen ist (Gesetz von Carnot über den maximal möglichen Wirkungsgrad einer Wärmemaschine). Die Effizienz einer Wärmepumpe sinkt zudem generell mit steigender Temperatur im Heizsystem. Nicht zu vernachlässigen ist jedoch die laufende Entwicklung am Wärmepumpenmarkt: Nicht nur die Produkte an sich, sondern auch ihre bessere Einbindung durch das verarbeitende Gewerbe und andere Fortschritte haben zu einer deutlichen Verbesserung der durchschnittlichen Jahresarbeitszahlen geführt. Im Rahmen einer dezentralen Energiewirtschaft stellt insbesondere bei Integration verschiedener fortschrittlicher Energienutzungsformen wie Geothermie, Biomasse, Solartechnik, Kraft-Wärme-Kopplung usw. die Wärmepumpe einen unverzichtbaren Baustein für eine zukunftsfähige, regenerative Energieversorgung dar.

Für den Fall der Raumheizung sind die Vorteile einer Wärmepumpe in Abb. 7 unten verdeutlicht. Hierbei ist es zum Verständnis jedoch notwendig, den Begriff der Exergie einzuführen. Dabei geht es um Folgendes: Während sich ein System mit seiner Umgebung ins thermische, mechanische und chemische (kurz: thermodynamische) Gleichgewicht setzt, wird ein bestimmter Teil seiner inneren Energie mit der Umgebung umgesetzt. Exergie ist nun derjenige Anteil dieser Energie, der sich dabei vollständig in mechanische Nutzenergie (Arbeit) verwandeln lässt. Dagegen wird derjenige Anteil, der sich dabei überhaupt nicht in Arbeit umwandeln lässt, als Anergie bezeichnet. Typischer Fall hierfür und in der Abbildung unten auch dargestellt ist etwa der Wärmeverlust durch eine Wand an die Umgebung: Es ist nicht möglich, diese wiederzugewinnen, um damit Arbeit zu verrichten. Andererseits handelt es sich bei der chemischen Energie eines Brennstoffes oder bei der elektrischen Energie, die man einsetzen muss, um den Raum auf einer bestimmten Temperatur zu halten, zum größten Teil um arbeitsfähige Exergie (man könnte damit einen Gas- oder Elektromotor antreiben). Wenn diese Energie nun durch Wärmeverlust schließlich an der Außenseite der Wand als Anergie angekommen ist, dann hat man die zugeführte Exergie zur Gänze in Anergie umgewandelt und somit an die Umgebung verloren (Exergieverlust). Sofern Strom oder Brennstoff (elektrische bzw. chemische Energie) nun außerdem noch die einzige Wärmequelle darstellen, entspricht dieser Exergieverlust der gesamten erforderlichen Heizenergie. Der Einsatz einer Wärmepumpe ermöglicht es jedoch, den Exergieverlust auf die erforderliche Antriebsenergie dieser Wärmepumpe zu beschränken. Eine Wärmequelle für die „Pumpe“ (Anergiequelle) ist praktisch immer vorhanden, da man hierfür ja sogar die Umgebungsluft verwenden kann. Genau diese Situation ist in Abb. 7 unten dargestellt (Anergie grau, Exergie rot punktiert, Wärmepumpe durch blaue strichpunktierte Linie umrissen); ein weiteres Beispiel einer geplanten Wärmeversorgung, dargestellt durch Wärmeflussdiagramme zum Vergleich der Varianten mit und ohne Wärmepumpe, findet sich in Abb. 6 oben und ist dort auch erklärt.

Abb. 7 – Die Vorteile des Heizens mit Wärmepumpe. Links im Bild ist die Art der Wärmezufuhr in den beheizten Raum dargestellt, rechts die Wärmeübertragung durch die Wand nach außen; die Breite der Energiepfeile entspricht dem relativen Ausmaß der Energieströme (in kW); rechts oben die Formel für die Exergie; P = Prev ist die (minimale) Antriebsleistung der Wärmepumpe für den Fall, das letztere den Carnot-Wirkungsgrad erreicht (was in der Praxis nicht der Fall ist, vgl. die Richtwerte der Leistungszahl im drittletzten Absatz). Der grafisch dargestellte Exergieanteil (rote Punktsignatur) errechnet sich aus der angegebenen Formel unter der Annahme, dass die Raumtemperatur T = 30 °C und die Außen- bzw. Umgebungstemperatur TU = 0 °C betragen.

Erdwärme und Wärmepumpen in Tourismusbetrieben: Insbesondere Freizeiteinrichtungen wie große Hallenbäder, Thermen usw. sind für den Einsatz von Erdwärmeheizungen und Wärmepumpen prädestiniert. Hier klaffen die technischen Möglichkeiten und die tatsächlich eingesetzte Technologie aber noch sehr weit auseinander. Das haben auch die Ergebnisse dieses Netzwerkprojektes deutlich gezeigt. So gehen alleine die Energiekosten für die Beheizung von Thermalbecken in vielen Fällen in die Hunderttausende Euro pro Jahr. Und das mit stark steigender Tendenz, weil in den meisten Fällen einfach Gaskessel großer Leistung für die Wassererwärmung herangezogen werden. Gerade in diesem Bereich wird die Wärmepumpe in Zukunft eine bedeutende Rolle spielen, weil für die Erwärmung der Heil- und Thermalwässer meist nur ein Temperaturhub um wenige Grad Celsius notwendig ist. Steigende Preise im Bereich der fossilen Energie werden diese Entwicklung sicherlich beschleunigen.

Wie wird die „Wärme“ gewonnen? – Wärmequellen, Bohrung, Aufbereitung, Alterung

Wir haben bereits erwähnt, dass die Nutzwärme in Thermalbädern fast immer teilweise (nicht selten aber tatsächlich in geringem Ausmaß) aus Thermalwasser stammt, das in Quellfassungen oder – mehrheitlich – aus Bohrungen gewonnen wird. Viele dieser Bohrungen sind ursprünglich als Explorations- oder (weit seltener) Gewinnungsbohrungen der Kohlenwasserstoffindustrie abgeteuft und später zur Thermomineralwassergewinnung umfunktioniert worden. In der Mehrzahl wird aus den Bohrungen ein konstanter Massenstrom von Thermalwasser bezogen, ein größerer Teil davon zum (häufig therapeutischen) Baden, ein anderer – zumeist geringerer – Teil zum Wärmeentzug für andere Zwecke verwendet, und das Abwasser sowie (leider) oft auch der ungenutzte Rest in öffentliche Kanalsysteme geleitet. Zusätzliche Wärmeenergie wird häufig „eingekoppelt“, um relativ hoch temperierte Nutzeinheiten versorgen und Engpässe überbrücken zu können. Eine Trennung von Hoch- und Niedertemperatursystemen innerhalb von Betrieben ist derzeit noch die Ausnahme.

Thermalwasserbohrungen

Im Vergleich zu Quellfassungen sind (tiefe) Bohrungen sehr aufwendig und teuer. Man sollte jedoch bedenken, dass es sich bei einer Tiefbohrung nicht nur um ein tiefes Loch in der Erde handelt, sondern um ein komplexes Bauwerk, das hinsichtlich Anforderungen an Herstellung und Material durchaus mit den sichtbaren (und infolgedessen herzeigbaren) technischen Anlagen an der Erdoberfläche verglichen werden kann.

Tiefbohrungen werden fast durchweg im Rotationsspülverfahren oder Rotaryverfahren hergestellt. Sie können mit diesem Verfahren in nahezu allen Gesteinen und bis in Tiefen von ca. 10 km abgeteuft werden. (Der Begriff „Rotaryverfahren“ bezeichnet im engeren Sinne eine Bohrtechnik, bei der der Antrieb des Bohrstranges über einen Drehtisch – engl. rotary table – erfolgt, wird aber heute oft für nahezu alle drehenden Bohrverfahren verwendet.) Trotz unterschiedlichster Anforderungen sind alle Bohranlagen in einigen Punkten ziemlich ähnlich. Die Grundkomponenten dienen nämlich immer den drei Hauptfunktionen einer Bohranlage: (1) Heben und Senken des Bohrstranges, (2) Drehen des Bohrstranges und (3) Zirkulieren der Bohrspülung (bei Spülbohrverfahren, bei sog. Trockenbohrverfahren wird keine Bohrspülung eingesetzt, „trocken“ verläuft der Bohrvorgang aber natürlich nur oberhalb des Grundwasserspiegels).

Rotaryanlagen verfügen über Bohrtürme verschiedenartiger Mastkonstruktionen, in denen ein schwerer Flaschenzug installiert ist. Dieser Flaschenzug lässt sich zum Bohren sowie zum Aus- und Einbau des Bohrstranges über das Hebewerk innerhalb der Bauhöhe des Bohrturmes heben und senken. Die vom Drehtisch vorgegebene Drehbewegung wird durch das Bohrgestänge auf das Bohrwerkzeug im Bohrlochtiefsten übertragen. Das Bohrgestänge besteht aus Stahlrohren mit Schraubverbindungen; einschließlich des Bohrwerkzeugs sowie verschiedener Sonderformen (Schwerstangen, Räumer u.dgl.), die mit den gewöhnlichen Bohrstangen kombiniert werden, spricht man dann vom Bohrstrang. Bei Tiefbohrungen werden häufig je drei Bohrstangen zu je ca. 9,0 m zu einem Gestängezug der Länge 3 x 9 = 27 m zusammengesetzt und im Bohrturm für den Einsatz bereitgestellt. Dies erhöht die Effizienz der Gestängemanipulation, bestimmt aber auch die erforderliche Bauhöhe des Bohrturms. Als Bohrwerkzeuge finden je nach den erwarteten Gesteinseigenschaften verschiedene Bohrmeißel (Flügel-, Stufen-, Rollen-, Diamantmeißel) Verwendung. Rollenmeißel sind die am weitesten verbreiteten und auch am weitesten entwickelten Bohrwerkzeuge. Spezielle Bohrwerkzeuge, sog. Kernrohre, werden abschnittsweise eingesetzt, um Gesteinsproben (Bohrkerne) zu gewinnen. Anders als Meißel zerstören sie nicht das gesamte vom Werkzeugdurchmesser vorgegebene Gesteinsvolumen, sondern erzeugen nur einen Ringspalt im Gestein, der durch die Dicke der Kronenlippe bestimmt wird. Im Zentrum entsteht der Bohrkern, der durch das Kernrohr „überbohrt“ und dadurch eingeschlossen und zugleich dem erodierenden Einfluss der Spülflüssigkeit entzogen wird. Bei der Bergung muss das Bohrgestänge ausgebaut werden, was die Kernung bei Tiefbohrungen (unterhalb der Reichweite des sog. Seilkernverfahrens, bei dem das nicht notwendig ist) zu einer relativ teuren Angelegenheit macht.

Die Bohrspülung ist eine Flüssigkeit, im Allgemeinen auf Wasserbasis, die während des Bohrens durch das Bohrgestänge nach unten, sodann durch Austrittsdüsen im Bohrwerkzeug nach außen sowie im Ringraum zwischen Bohrgestänge und Bohrlochwandung wieder hoch gepresst wird. Nach Aufbereitung am Bohrplatz wird sie über einen sog. Spülkopf am oberen Ende des Bohrgestänges wieder in die Bohrung gepumpt, wodurch ein Spülkreislauf entsteht. Die wichtigsten Funktionen der Bohrspülung sind: (1) Reinigung der Bohrlochsohle und Austragung der Gesteinstrümmer, die beim Bohren entstehen (Bohrgut, Bohrklein, Cuttings), (2) Kühlung und Schmierung von Bohrwerkzeug und Bohrstrang sowie (3) Stabilisierung der Bohrlochwand. Um die benötigte Tragfähigkeit (Dichte bzw. „Spülungsgewicht“, die Viskosität u.a. Eigenschaften) der Spülung einzustellen, werden dem Wasser Tonminerale (gewöhnlich Bentonit) und/oder Polymere (langkettige Molekülverbindungen) und häufig auch einer Reihe anderer Substanzen zugesetzt. Das Bohrklein wird nach Verlassen der Bohrung durch Siebe, Zentrifugen u.dgl. von der Flüssigkeit getrennt und in weiterer Folge dazu verwendet, um die angetroffene Gesteinsabfolge zu analysieren (Spülproben). Das Spülungsgewicht liegt beim Bohren etwas über dem Flüssigkeitsdruck im Gestein (in der „Formation“). Dadurch dringt normalerweise keine Formationsflüssigkeit ins Bohrloch, eher umgekehrt Bohrflüssigkeit in die Formation. Die festen Bestandteile der Spülung werden allerdings durch die Poren des Gesteins an der Bohrlochwandung gewissermaßen ausgesiebt und bilden dabei den sog. Filterkuchen (der typischerweise etliche mm bis wenige cm dick und ziemlich hart werden kann). Der Filterkuchen ist zumeist wichtig für die Stabilität der Bohrlochwandung, kann jedoch bei reinen Tonspülungen dazu führen, dass das Bohrloch am Ende zwar stabil, aber dicht ist, sodass kein Wasser aus der Formation zutreten kann, solange der Filterkuchen nicht zerstört wurde; was möglich, aber unter Umständen auch aufwendig ist. Dies ist zu bedenken, wenn eine Bohrung speziell zur Thermalwasserexploration durchgeführt werden soll.

Bohrlöcher können unter Umständen einige 100 m „im Stück“ gebohrt werden, zumeist werden sie aber schon aus Sicherheitsgründen in Abschnitten mit sukzessive geringerem Durchmesser gebohrt und eine Verrohrung geschützt. Dabei wird jeder Abschnitt nach Beendigung der Bohrarbeit durch Einbau passender Stahlrohre (Casing) gegen Einbrechen der Bohrlochwandung – sowie Eindringen unerwünschter Fluide (Wasser, Öl, Gas) in die Bohrung oder umgekehrt von Spülung in die Formation – gesichert und der Ringraum zwischen der Bohrlochwandung und dieser Verrohrung auszementiert. Zuletzt wird der unterste Bohrabschnitt – wenn möglich – offen, das heißt ohne Verrohrung, stehen gelassen (Open Hole), sodass Formationsflüssigkeit direkt aus dem Gestein in das Bohrloch eindringen kann. Häufiger wird er allerdings mit einer Endrohrtour (Produktionsrohrtour) versehen, die dann im Bereich oder in den Bereichen, aus denen Formationsflüssigkeit gewonnen werden soll, durchlöchert (perforiert) wird. Dies mag umständlich erscheinen, ist aber oft aus Stabilitätsgründen notwendig. Alternativ gibt es auch die Möglichkeit, Filterrohre (mit vorgefertigten Schlitzen oder einem durchlässigen Drahtgefecht im Eintrittsbereich) einzubauen und mit einer Kiespackung zu hinterfüllen. Ein Steigrohr kann mit der Endrohrtour zugleich eingebaut oder nachträglich (mittels Packer) mit der Endrohrtour verbunden werden. Bei der Liquidierung einer Kohlenwasserstoffbohrung und auch bei einer Konservierung für geothermale Zwecke werden allerdings die nicht zementierten Rohrabschnitte zumeist abgeschnitten oder abgeschossen und wieder gewonnen. Das Thermalwasser steigt dann ggf. im Casing auf und wird – wenn es nicht in ausreichender Menge von selbst (artesisch) überfließt – mit einer Tauchpumpe zu Tage gefördert. Auf die praktische Ausführung dieser verschiedenen Möglichkeiten, ein Bohrloch zu „komplettieren“, kann hier nicht weiter eingegangen werden.

Als Ergebnis entsteht jedenfalls ein unterirdisches Bauwerk aus ineinander geschachtelten und ganz oder teilweise einzementierten Rohrtouren. Schematisch wird dies in Abb. 8 unten dargestellt: Die verschiedenen Arten von Rohrtouren werden dabei nicht überall, sondern je nach den Gegebenheiten eingesetzt. Die nicht zementierten Abschnitte sind bei konservierten Öl- oder Gasbohrungen zumeist entfernt und nachträglich ein neuer Steigstrang mit einer Tauchpumpe am unteren Ende eingebaut worden. Der häufigste Pumpentyp ist die gewöhnliche Unterwasser-Kreiselpumpe. Beschränkungen der Einsetzbarkeit dieser Pumpen durch große Einbautiefen sind selten gegeben, weil die meisten Thermalwässer bis relativ knapp (wenige 100 m bis wenige 10 m) unter die Erdoberfläche – man sagt: subartesisch – aufsteigen. Manchmal werden aber auch (nach ihrem Erfinder) so genannte Moineau-Pumpen eingesetzt. Sie können bis in größere Tiefen und bei höheren Temperaturen als die üblichen elektrisch betriebenen Kreiselpumpen eingesetzt werden. Die mechanisch wirksamen Teile einer solchen Pumpe sind in der Abb. 8 rechts zu sehen.

Abb. 7 – Links: Verrohrungsschema einer Bohrung. Dargestellt sind alle gängigen Rohrtouren (Casings), die aber im Einzelfall nicht immer alle eingebaut werden. Die schwarzen Dreiecke versinnbildlichen – übertrieben groß – den „Rohrschuh“ jeder Rohrkolonne. Die grauen Flächen stellen den Zement dar, der nach jedem Bohrabschnitt in den Ringraum zwischen der neuen Rohrkolonne und der Bohrlochwandung eingepresst wurde und nun die Rohre dann fest mit dem Gebirge verbindet. Standrohr und Ankerrohrtour (so benannt, weil auf diesem Rohr der sog. Preventer zum Schutz gegen Gasausbrüche verankert wird) werden immer, die anderen Rohrkolonnen dagegen oft nicht bis zu Tage zementiert. (Notwendigerweise gilt das für eine Linerverrohrung, die definitionsgemäß nicht bis nach oben reicht.) Nicht zementierte Rohrabschnitte können bei Auflassung (Liquidierung oder Konservierung) einer Bohrung abgeschnitten oder abgeschossen, ausgebaut und in einer anderen Bohrung wieder verwendet werden. Diese nicht zementierten Rohrabschnitte würden also bei einer zur Thermalwassergewinnung umgewidmeten ehemaligen Kohlenwasserstoffbohrung normalerweise fehlen. Das Thermalwasser steigt dann nicht in der hier gezeichneten Produktionsrohrtour, sondern zunächst in der technischen Verrohrung (Casing) und dann in der Steigleitung einer Tauchpumpe auf. – Rechts: Teile einer Moineau-Pumpe. Die eig. Pumpe nach Moineau besteht aus einem wendelförmigen beweglichen Teil (Rotor, in der Mitte der abgebildeten Transportkiste, rot eingepackt), und einem unbewegten Gehäuse mit einem passenden Kammernsystem (Stator, in der Kiste links), in dem sich der Rotor dreht und die Flüssigkeit dabei von einer Kammer zur anderen nach oben drückt. Dies funktioniert nur, wenn der Rotor mm-genau in den Stator eingesetzt wurde. Darin besteht die Herausforderung beim Einbau, ansonsten ist die Konstruktion mechanisch robust. Der Rotor wird von oben durch ein Gestänge und dieses wiederum durch einen über Tage installierten (und daher bei Wartungsarbeiten ohne weiters zugänglichen) Motor angetrieben.

Nachdem eine Bohrung abgeteuft ist, muss ihre Eignung und das Ausmaß ihrer Leistungsfähigkeit (die sich im Vorhinein ja nur vermuten oder schätzen lässt) auch nachgewiesen werden. Dazu diesen eine Reihe von Testverfahren, im Fall von Grundwasserbrunnen oder Bohrungen sind dies die sog. Pumpversuche. Das Testprinzip lässt sich aber auch auf Fälle übertragen, in denen nicht tatsächlich gepumpt werden muss (weil das Wasser artesisch, also von selbst überfließt). Letztlich wird dabei jedoch immer ein Zusammenhang zwischen der Entnahmemenge und der Druckhöhe der Wassersäule (relativ zu einer Referenzhöhe) hergestellt. Bei unterirdischem Grundwasserspiegel können die Referenzhöhe die Brunnenoberkante sein und die Druckhöhe durch eine Tiefenmessung zum Grundwasserspiegel bestimmt werden; bei einem (artesischen) Druckspiegel über der Erdoberfläche muss eine manometrische Messung des Druckes durchgeführt werden. Zur Auswertung werden dann in beiden Fällen verschiedene diagnostische Diagramme verwendet, die sich immer auf die zeitliche Änderung der Druckhöhe bei einer bestimmten (im Allgemeinen konstanten) Entnahmemenge beziehen. Bei Leistungspumpversuchen ist es wichtig, wird jedoch allzu häufig vernachlässigt, dass der Versuch über lange Zeit (in Monaten gemessen) fortgesetzt wird, weil sonst gewisse langfristige Tendenzen nicht erkannt werden können. Die induzierten Druckänderungen brauchen Zeit, um sich in die Formation (den Thermalwasserträger, das „Reservoir“) hinein auszubreiten, und (positive oder) negative Randbedingungen – zum Beispiel eine dichte Berandung des Reservoirs in einiger Entfernung – können sich daher oft erst nach geraumer Zeit auf den Verlauf von Testkurven auswirken und erkannt werden. Weiters sollte ein hydrophysikalisch-chemisches Beobachtungsprogramm die Versuche begleiten. Schon mit Hilfe einfacher Summenparameter (Temperatur, elektrische Leitfähigkeit) können Veränderungen der Wasserzusammensetzung im Verlauf der Entnahme erkannt werden. Durch zusätzliche chemische und isotopenphysikalische Analysen werden dann im Anlassfall die Grundlagen für Ursachenforschung und Vermeidungsstrategien geschaffen.

Schließlich sollten relativ kurzfristige Tests dieser Art, ergänzt durch bohrlochgeophysikalische und optische Begutachtungen der Bohrung in Abständen von einigen Jahren (5 bis 10 Jahre) wiederholt werden, um Veränderungen im Reservoir und/oder an der Bohrung durch den Betrieb erkennen zu können. Häufig sind dabei an den Bohrungen selbst verschiedene Alterungsphänomene (Korrosion, Verkrustung, Versandung, Bakterienwachstum, bis hin zu kollabierenden Filterrohren, siehe Abb. 9) zu beobachten, die die Leistungsfähigkeit im Laufe der Zeit vermindern. Nicht selten können auch zunächst unerklärte Phänomene auf technische Ausführungsfehler zurück geführt werden (siehe Abb. 10). In verschiedenen Fällen werden aber auch langfristige Veränderungen im Reservoir festgestellt, insbesondere Einmischung von zumeist seichteren Wässern mit geringerer Temperatur und/oder anderer Zusammensetzung, die auch ein hygienisches Problem (Bakterien) mit sich bringen können, sowie langfristige Druckabsenkung in der Formation, ein klares Zeichen für Übernutzung eines relativ kleinen Reservoirs (bei sehr großen Reservoirs muss – bei der relativ geringen Entnahme, die für Badezwecke typisch ist – die Druckabsenkung gar nicht merkbar sein, auch wenn das Reservoir abgeschlossen ist und eine Thermalwasserneubildung daher nicht stattfinden kann). In diesem Fall kann eine Wiederverpressung (Re-Injektion) des – nicht direkt zum Baden verwendeten – abgekühlten Thermalwassers in das Reservoir unter Umständen Abhilfe schaffen. Vorraussetzung dafür ist allerdings eine weitere (oder Umwidmung einer vorhandenen) Bohrung zum Verpressen in dasselbe Reservoir, jedoch mit einem geeigneten Abstand zur Produktionsbohrung, damit das injizierte „Kaltwasser“ genügend Möglichkeit hat, sich auf dem Weg zurück zur Förderbohrung wieder zu erwärmen.

Abb. 8 – Thermalwasserbohrungen (Abschlussbauwerke). Oben: Das technische Team begutachtet den Vorschacht einer Thermalbohrung. Unten links: Ein Blick in den Bohrkeller. Man sieht auf das obere Ende der technischen Verrohrung, das mit einem gelochten Flansch versehen ist (Sondenkopf). Der aufliegende Grundflansch hat eine Entlüftungsöffnung und eine Durchführung für das Steigrohr der Unterwasserpumpe. Gleichzeitig ist auffallend, dass er mit dem Sondenkopf nicht dicht verbunden ist und auch in der Dimensionierung nicht übereinstimmt. Ein Abschlusshahn ist vorhanden, es fehlt jedoch eine Wärmedämmung. Unten rechts: Bei diesem oberirdischen Abschluss (ohne Vorschacht) ist weder ein Sondenkopf noch ein Haupthahn zum Einschließen der Bohrung noch eine Wärmedämmung vorhanden. – Diese Beispiele zeigen, dass die eigentliche Quelle des thermalen Reichtums häufig ein Dornröschendasein fristet, solange sie nicht durch sinkende Entnahmezahlen unangenehm auffällt.

Abb. 9 – Zustandsbilder aus Thermalbohrungen. 1. Reihe links: Kameraaufnahme der Formation aus einer Thermalbohrung in Kalkgestein. In dem gezeigten, stark geklüfteten Bereich tritt Thermomineralwasser in die Bohrung ein. Trotz Kluftreichtum musste die Formation nicht verrohrt werden. 1. Reihe rechts: Hier ist die Formation (Kies) in den Filter eingebrochen; auch eine Verrohrung ist also bei fehlerhafter Dimensionierung oder unsachgemäßer Ausführung kein absoluter Schutz. 2. und 3. Reihe: Organische Wucherungen (fädiges Bakterienwachstum, oben) bzw. anorganische Krustenbildung (Kalkfällung, unten) an Filterrohren; rechts jeweils dieselben Abschnitte nach mechanischer Reinigung (oben ein Schlitzbrückenfilter aus Edelstahl, unten ein PE-Filter aus seiner seichten Bohrung). 4. Reihe links: Durch Verkrustung blockierter Einlaufbereich einer Tauchpumpe; rechts: Durchkorrodierte Filterrohre aus einer Tiefbohrung. – Die Beispiele zeigen unter anderem, dass jeder Tiefenbereich von diesen Problemen betroffen sein kann. Eine interessante Ausnahme machen die Bakterien, die ab einer Temperatur von 113 °C nicht mehr vorkommen (dies ist nach derzeitigem Wissensstand die Temperaturgrenze für Leben auf und unter der Erde).

Abb. 10 – Bohrlochmessung als Indikation für technische Defekte. In diesem Beispiel wurde eine Flowmeter-Messung durchgeführt und daraus ersichtliche Problembereiche dann mittels Bohrlochkamera verifiziert. Ein Flowmeter ist eine Art hydraulischer Messflügel, wie er auch bei Abflussmessungen in Oberflächengewässern eingesetzt wird. Die Rotationsgeschwindigkeit (gemessen in Umdrehungen pro Minute) eines „Propellers“ steht in Beziehung zur Fließgeschwindigkeit des Wassers relativ zum Messflügel. Die funktionale Beziehung wird durch Eichung bestimmt. In der Bohrung wird das Gerät jeweils mit konstanter Geschwindigkeit hinunter gelassen und dann wieder herauf gezogen und die Rotationsgeschwindigkeit des Flügels kontinuierlich registriert. In Abschnitten mit Wasserzutritt oder Verlust steigen bzw. fallen die Aufstiegsgeschwindigkeit des Wassers in der Bohrung und infolge dessen die Messwerte des Flowmeters. In Bereichen ohne Massenstromänderung bleiben die Messwerte konstant. Rechts: Ursachen für auffallende Abweichungen von der erwarteten Messkurve (durch Pfeile zugeordnet) – eine abgerissene Rohrtour (leichter Wasserzutritt durch die schadhafte Stelle); starker Wasserzutritt aus einem unerwünschten Grundwasserleiter durch ein offen gebliebenes Zementationsventil (wurde zum Nachzementieren verwendet); und Fließwegblockierung in einem Teilabschnitt der Filterstrecke.

Auf zwei Probleme, die beim Aufsteigen des Thermalwassers in der Bohrung auftreten oder auftreten können, soll noch hingewiesen werden: Einerseits tritt dabei immer ein Wärmestrom zur – in geringeren Tiefen – kühleren Umgebung ein, was zu einem Temperaturverlust führt. Durch Einführung eines schlecht Wärme leitenden Materials in den Ringraum zwischen Steigleitung und technischer Verrohrung (Casing) kann dieser Effekt minimiert werden. Am besten geeignet ist dabei eine Beaufschlagung mit Stickstoff; feste Stoffe bringen das Problem mit sich, dass sie sich vor Instandhaltungsarbeiten nicht ohne weiteres entfernen lassen. Ein konkretes Beispiel für die Vorteile dieser Maßnahme bringt Abb. 11 unten. Weiters können sich infolge Druckentlastung verschiedene Stoffe, die unter Reservoirbedingungen im Wasser gelöst, unter Bedingungen der Erdoberfläche aber gasförmig sind (Methan, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Stickstoff) beim Aufstieg in der Bohrung entlösen, das heißt, es bilden sich ab einer gewissen Tiefe Gasblasen und es steigen dann zugleich (aber zumeist nicht mit derselben Geschwindigkeit) zwei „Phasen“, eine flüssige und eine gasförmige, in der Bohrung auf. Ein solcher Zweiphasenstrom ist nicht geeignet, durch eine gewöhnliche Tauchpumpen gefördert zu werden (Beschädigung durch Kavitation), durch Verschiebung chemischer Gleichgewichte kann es zu Korrosions- und Fällungsreaktionen kommen, und vor Eintritt in die Nutzanlage muss das entlöste und noch gelöste Gas vom Wasser getrennt und entfernt werden. Korrosion kann üblicherweise durch hohe Materialqualität und Schutzbeschichtungen, Fällungen und Krustenbildung durch chemische Inhibitoren unterbunden werden. Manchmal kann das Entlösungsgas sogar genutzt werden, vor allem Methan, das in einem Gasmotor verbrannt, oder Kohlendioxid, das für therapeutische Zwecke eingesetzt werden kann (CO2-Bäder z.B. gegen Hautkrankheiten). Schwefelwasserstoff ist dagegen in jedem Fall schädlich und wirkt auf Metalle extrem korrosiv (starke H2S-Führung eines Reservoirs kann die Bohrkosten unter Umständen verdoppeln). Ein Beispiel für das Problem für den Fall einer Entgasungsanlage in einem Thermalbad zeigt Abb. 12 unten.

Abb. 11 – Wärmeverlustminderung durch Isolierung einer Produktionsrohrtour. Gerechnet für das konkrete Beispiel einer ca. 980 m tiefen Thermalbohrung, wurde hier dem tatsächlichen Temperaturverlauf unter Bedingungen eines freien Wasseraufstiegs in der technischen Verrohrung (blau) ein theoretisch erreichbarer Temperaturverlauf in einer stickstoffisolierten Produktionsrohrtour gegenüber gestellt. Die mögliche Temperaturerhöhung am Bohrkopf beträgt ca. 3,5 °C; ein nicht unbeträchtlicher Wärmezugewinn. Die nötigen Maßnahmen müssten allerdings schon beim Erstausbau durchgesetzt werden, wohingegen die nachträgliche Umrüstung im Allgemeinen keine wirtschaftlichen Vorteile mehr bringt.

Abb. 12 – Sinterbildung und Korrosion durch Entgasung. Zu sehen sind zwei Entgasungsanlagen (Gasseparatoren) für Thermalwässer mit Entlösungsgas, welches im einen Fall (links) durch überwiegenden Gehalt von CO2, im anderen Fall (rechts) von Methan und H2S gekennzeichnet ist. Durch Entgasung von CO2 infolge Druck- und Temperatursenkung kommt es bei zumeist vorhandenem Karbonatanteil in der Lösungsfracht – wie beim Kesselstein – zur Kalkausfällung. Durch Fällung aus Rieselfilmen (wie an der Anlage links) entstehen dabei Sinterbildungen. Die Anlage rechts ist durch H2S völlig durchkorrodiert; links daneben ist ein Stück der gegenwärtig betriebenen neueren Anlage zu sehen. In beiden Fällen wäre übrigens eine Wärmedämmung (nicht nur der Zu- und Ableitungen, sondern auch des eig. Separators) sinnvoll.

Weitere Energiequellen

Das Einkoppeln von thermischer (Fremd-)Energie geschieht zumeist unter Einsatz von Wärmeüberträgern („Wärmetauschern“), das sind – wie schon erwähnt – Apparate, die zwei flüssige oder gasförmige Wärmeträgermedien über gut leitende Trennwände in thermischen, nicht aber in unmittelbaren Kontakt zueinander bringen. Im Gegenstromprinzip wird dabei durch „Wärmetausch“ über eine große kumulative Trennfläche („Heizfläche“) das relativ heiße Medium abgekühlt und das relativ kalte erwärmt. Bei intelligenter Steuerung über die Massenströme der beiden Medien kann erreicht werden, dass die Auslauftemperatur des wärmeren Mediums auf der „kalten Seite“ fast bis auf die Einlauftemperatur des kälteren Mediums herunter gedrückt und damit der Energieübergang mit maximaler Effizienz betrieben werden kann. Beispiele für Plattenwärmetauscher, bei denen ebene Trennwände verwendet werden (im Gegensatz zu rohrförmigen), sind unten rechts abgebildet (Abb. 13). Zugleich ist ein möglicher und anzustrebender Temperaturverlauf für ein konkretes Beispiel dargestellt.

Abb. 13 – Plattenwärmetauscher, Funktionsprinzip und Temperaturverlauf. Funktionsskizze und Bauform nach Firmenunterlagen von ALFA LAVAL. Rechts unten ein installiertes Gerät. Das Diagramm links unten gibt das Ergebnis einer optimalen Temperatursteuerung wieder (die genauen Zahlen stammen aus der Problemsituation und sind nicht unbedingt typisch). Voraussetzungen für eine derart effiziente Wärmeübertragung in wechselnden Bedarfssituationen sind allerdings (1) eine große Wärmetauscherfläche („Heizfläche“) und (2) eine intelligente Steuerung über die Massenströme der beiden Wärmeträgermedien.

Eingekoppelte Wärme stammt häufig aus der Abwärme von Hochtemperaturanlagen (Strom- oder Gasheizung, industrielle Abwärme u.dgl.). In manchen Fällen wird die erforderliche Badetemperatur durch Mischung von Wässern ungleicher Herkunft und Temperatur eingestellt. Die Mischbarkeit insbesondere natürlicher Wässer darf allerdings nicht ohne weiteres vorausgesetzt werden (Möglichkeit von Mischungskorrosion und Fällungsreaktionen).

Wie wird die „Wärme“ verwendet? – Anlagen, Monitoring, Wärmeflüsse, Verluste

Um allgemeine Aussagen über die in Thermalanlagen verwirklichten Methoden der Nutzung oben beschriebener Wärmequellen und deren Verbesserungspotential treffen zu können, wäre es nötig, eine Datengrundlage zu schaffen, aus der charakteristische Werte des Energiebedarfs für allgemein vorhandene Nutzeinheiten abgeleitet werden können. Auf dieser Basis wäre die Energiesituation der einzelnen Thermalanlagen auch untereinander zu vergleichen. Unter Verwendung eines geeigneten Formblattes wurde eine entsprechende Erhebung unter den Partnern durchgeführt. Das Formblatt wird in Abb. 14 unten wiedergegeben.

Abb. 14 – Energieerhebungsformblatt. Das Formular wurde in MS Excel erstellt, umfasst drei Druckseiten und diente zur Erfassung der räumlichen und zeitlichen Energiebedarfsstruktur der am Projekt beteiligten Thermalbäder. Wichtig ist dabei auch die zeitliche Diskretisierung gewisser Parameter. Fast alle Angaben und auch die zeitliche Verteilung der Verbrauchskennwerte schwanken in der Praxis sehr stark, auch je nach Geschäftskonzept des einzelnen Betriebs.

Die Auswertung der Energieerhebungsformulare zeigte ein sehr heterogenes Bild. Dies ist einerseits darauf zurückzuführen, dass die untersuchten Anlagen sehr unterschiedlich ausgestattet sind. Die Ausstattung reichte vom einfachen Freibad bis zu Erholungszentren der Luxusklasse, mit Freibad, Hallenbad, Sauna, medizinischem Zentrum, Fitnessanlagen, Sportanlagen, Restaurants und Hotels. Zum anderen wird der Energieverbrauch in der Praxis zu wenig detailliert aufgezeichnet, so dass eine Zuordnung, beispielsweise des Strombedarfs, zu einzelnen Verbrauchseinheiten wie Hotel-, Restaurant-, Bade-, SPA- und Sportbereich tatsächlich nicht möglich ist. Daher können aus den gesammelten Daten keine Energiekennzahlen für die einzelnen Bereiche abgeleitet werden.

Referenzanlagen

Um die Bandbreite der verwirklichten Konzepte überblicken und betrachten zu können, wurden im Rahmen von Begehungen und mit Unterstützung des örtlichen technischen Personals vereinfachte Anlagenschemata von drei Thermalbädern angefertigt und als Referenzanlagen 1 bis 3 gekennzeichnet. Diese Schemata werden in Abb. 15 bis 17 unten wiedergegeben. Um nun die Energiesituation an einem Beispiel im Einzelnen betrachten und auf dieser Basis sowie unter Berücksichtigung abweichender Situationen mögliche allgemeine Verbesserungsvorschläge formulieren zu können, wurde Referenzanlage 1 für eine detaillierte Analyse und die anderen beiden Anlagen für vergleichende Betrachtungen ausgewählt.

Abb. 15 – Referenzanlage 1. Diese Anlage wurde für eine detaillierte Analyse ausgewählt. Es handelt sich bei diesem sowie den beiden folgenden Schemata nicht um genaue Pläne, sondern um vereinfachte Blockflussdiagramme, die die wärmetechnisch relevanten Grundeinheiten und ihre Verknüpfungen so weit erfassen, dass mit Hilfe von Messdaten und begründeten Schätzungen daraus Energieflussdiagramme für verschiedene Bedarfssituationen abgeleitet werden können. In der realen Anlage finden sich diesfalls zahlreiche Wärmetauscher, die alle im Detail zu berechnen die Möglichkeiten und den Zweck des Projekts überschritten bzw. verändert hätten. Zur Ableitung von allgemein relevanten Schlussfolgerungen wäre dies zudem, wie die Erfahrung zeigte, auch nicht erforderlich gewesen. Die benötigte Wärmeenergie stammt bei dieser Anlage aus folgenden drei Quellen: Thermalwasser (links unten), Abwärme einer Kraft-Wärme-Kopplung aus einem benachbarten Hotel (links Mitte) und Erdgasbrenner (4 Einheiten, links oben). Als Abnehmer treten auf (rechts von oben nach unten): Lüftungssystem, Heizung, Warmwasserbereitung, Schwimmbecken und heilmedizinische Pools (die übrigens den größeren Teil des Thermalwassers benötigen).

Abb. 16 – Referenzanlage 2. Charakteristisch ist bei dieser Anlage, dass die Schwimmbecken auf zwei verschiedenen Wegen (Kalt-/Warmwassermischung in einem Tank und Wärmetauscher) auf Temperatur gehalten werden, und eines dieser Teilsysteme mit Heiz- und Warmwasserkreisläufen, die für wesentlich höhere Temperaturen ausgelegt sein müssen, verbunden ist. Solche Ansammlungen vergangener Ad-hoc-Lösungen finden sich häufig als Ergebnis einer historischen Entwicklung bei begrenzten Ressourcen.

Abb. 17 – Referenzanlage 3. Diese Anlage verwendet ein einfaches Durchfluss- und Mischungssystem zur Aufrechterhaltung der benötigten Temperaturniveaus. Ein künstlicher See (rechts oben) wird benutzt, um das Abwasser vor Einleitung in den Vorfluter abzukühlen.

Abb. 15 oben zeigt das Blockflussdiagramm der Referenzanlage 1 inklusive Temperaturniveaus der Energienutzung. Die Energiebereitstellung erfolgt durch das Thermalwasser (bei 42 °C), durch konventionelle, mit Erdgas befeuerte Kessel (bei 90 °C) und durch Einkopplung von Energie aus einer Kraft-Wärme-Kopplung (bei 85 °C). Die Energienutzung erfolgt durch die Klimaanlage, auf einem Temperaturniveau von 90 bis 60 °C, durch die Heizung (Temperaturniveau ebenfalls 90 bis 60 °C), durch die Brauchwasserbereitstellung (Temperaturniveau ca. 65 °C), und durch die Pool-Wasser-Erwärmung, wobei hier das Temperaturniveau abgestuft zwischen ca. 34 und 37 °C liegt. Abb. 18 unten zeigt die Energieströme der Anlage im Auslegungsfall. Die Referenztemperatur für die Energie wurde mit 0 °C, jene für die Exergie mit 35 °C angenommen (vgl. die Erläuterungen zu Abb. 6 oben). Diese Referenztemperatur für die Exergie wurde gewählt, da die Energienutzung prinzipiell über dem geringsten Temperaturniveau erfolgen muss, das ist bei dieser Anlage die Pool-Heizung bei ca. 35 °C. Energie, die auf einem niedrigeren Temperaturniveau angeboten wird, ist nicht nutzbar.

Abb. 18 – Energieströme der Referenzanlage 1 im Auslegungsfall.

Bei der Nutzung der Energie des Thermalwassers zeigt sich, dass überhaupt nur 35 % der aus der Bohrung geförderten Energie in den Nutzungsbereich kommt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass zur Förderung des Thermalwassers eine Pumpe mit einer konstanten Drehzahl eingesetzt ist und daher die Thermalwasserförderung nicht auf den Verbrauch abgestimmt werden kann. 65% des geförderten Thermalwassers gehen daher ungenutzt in einen nahe gelegenen See.

Da das Thermalwasser bei 42 °C gefördert wird (siehe Abb. 15), ist der Exergiebeitrag (jener Bereich der über den mindest geforderten 35 °C liegt) nur ca. 20 %. Der Rest der zur Pool-Heizung erforderlichen Energie, im Auslegungsfall sind dies 1953 kW, muss von einem Zusatzheizsystem gedeckt werden. Die weitere Energie, die für Klimatisierung, Restaurants und Hotels benötigt wird, in Summe ca. 2400 kW, wird ebenfalls von diesem Heizsystem geliefert. Unterstützt wird das Heizsystem durch die Einkoppelung von Energie aus einer Kraft-Wärme-Kopplung im Ausmaß von maximal 800 kW.

Das angesprochene Heizsystem ist in Form von Erdgas befeuerten Gaskessel realisiert. Da hier das Abgas im Auslegungsfall die Kessel mit 180 °C verlässt, tritt hier ein Abgasverlust von 17 % auf. Wenn die Abgastemperatur auf 40 °C gesenkt werden könnte, würde der Abgasverlust auf 5 % reduziert.

Messung der Energieströme

Viele Thermalanlagen verfügen über eigene Messstellen, die laufend Daten über Massenströme sowie Druck- und Temperaturwerte an wichtigen Knotenpunkten des Systems liefern können. Um die Energieverluststellen und in weiterer Folge Effizienz steigernde Maßnahmen definieren zu können, reichen die betriebsseitig gemessenen Daten jedoch meist nicht aus. Denn häufig werden entweder nur Daten erfasst, die für die Anlagensteuerung wichtig sind, sich auf die Geschäftsbilanz auswirken oder auch auf Vorschriften beziehen (Wasserverbrauch, Kanaleinspeisung, Bade- und Brauchwassertemperatur etc.), oder es werden die meisten erforderlichen Parameter durchaus gemessen, aber nicht aufgezeichnet, geschweige denn vorausgewertet. Beispiele für häufig vorhandene Messeinheiten sowie eine sinnvolle Verwertung zu Kontrollzwecken werden durch Abb. 19 illustriert.

Abb. 19 – Beispiele häufig vorhandener Messeinrichtungen. Links oben: Zwei verschiedene Drucksonden (links) und eine Temperatursonde (rechts) an einer Thermalwasserleitung. Die eine Drucksonde ist ein – vor Ort unmittelbar ablesbares – Manometer, die andere ist wie die Temperatursonde mit einem automatischen Kontrollsystem verbunden. Rechts oben: Induktive Durchflussmessstelle am Thermalwassereinlauf von der Bohrung in die Anlage. Links unten: Laufende Vorauswertung von Messdaten als jederzeit einsehbare Zeitreihe. Rechts unten: Händische Übertragung von laufend erfassten, aber nicht gespeicherten Messdaten eines Anlagenkontrollsystems in Messprotokolle.

Der oben beschriebene Auslegungsfall der Referenzanlage 1 tritt naturgemäß nur in Extremsituationen auf. Das Energiebereitstellungssystem ist so ausgelegt, dass die Leistung ausreicht, um auch am kältesten Tag des Jahres (eigentlich sogar am kältesten Tag über mehrere Jahre) die Temperaturen in den Pool-Becken halten und den Heizbedarf decken zu können. Um die realen Energieströme besser beurteilen zu können, wurden über einen Zeitraum von etwa 1,5 Wochen an verschiedenen Stellen der Anlage Messungen durchgeführt. Die Energiemessstellen sind aus Abb. 20 ersichtlich und ein Teil der eingesetzten Geräte ist in Abb. 21 zu sehen. Eine Reihe weiterer Daten wurde aus dem vorhandenen Anlagenkontrollsystem entnommen bzw. vom Computer händisch in Messprotokolle übertragen und von einzelnen Messeinheiten auch direkt abgelesen (Wasserzähler). Danach wurden im Beobachtungszeitraum in regelmäßigen Abständen Temperaturverlauf und Durchflussrate respektive Energieverbrauch an der Thermalquelle, in den Klimaanlagen, im Zusatzheizsystem und an der Kraft-Wärme-Kopplung aufgezeichnet.

Abb. 20 – Energiemessstellen zur Beobachtung der Referenzanlage 1.

Abb. 21 – Energiemessstelle mit Drucksensoren und Datensammler. Die beiden Drucksensoren im rechten Bild sind zu beiden Seiten einer Pumpe installiert, um mit Hilfe der bekannten Leistungsdaten der Pumpe sowie der gemessenen (durch die Pumpe aufgebrachten) Druckdifferenz zwischen Zu- und Ablauf den Massenstrom der gepumpten Flüssigkeit bestimmen zu können.

In Abb. 22 sind nun beispielhaft die Energieströme in einer der größeren der installierten Klimaanlagen dargestellt. Es ist zu erkennen, dass etwa ein Drittel der benötigten Heizenergie durch Abwärmenutzung bereitgestellt wird, was einen sehr positiven Beitrag zur Ressourceneinsparung leistet. Abb. 23 zeigt sodann die mittleren, Abb. 24 dagegen die maximalen Energieströme im Beobachtungszeitraum. Daran zeigt sich, dass die mittleren Energieströme im Beobachtungszeitraum zwar nur 27% der Energieströme im Auslegungsfall sind, die maximalen jedoch 80%. Der Auslegungsfall erscheint daher realistisch definiert und die Heizungsanlage ausreichend dimensioniert.

Abb. 22 – Energieströme der Klimaanlage (der Referenzanlage 1) im Beobachtungszeitraum.

Abb. 23 – Mittlere Energieströme der Referenzanlage 1 im Beobachtungszeitraum.

Abb. 24 – Maximale Energieströme der Referenzanlage 1 im Beobachtungszeitraum.

Wie kann „Wärme“ noch eingesetzt werden? – Möglichkeiten, Einsparungen

Dieser Abschnitt geht nun auf Möglichkeiten ein, im Rahmen künftig notwendiger Investitionen zugleich den Energiehaushalt der detailliert untersuchten Anlage und weiterer Thermalbäder effizienter zu gestalten, als es derzeit vielfach der Fall ist. Entsprechende Überlegungen sollten bei den Wärmeverlusten beginnen, die schon in der Bohrung auftreten (vgl. Abb. 11), und über einfache und teilweise sogar nachträglich ohne komplizierte Adaptierungen mögliche Maßnahmen zu den komplexeren Betrachtungen fortschreiten, deren Verwirklichung oft nur in Verbindung mit Veränderungen an der Gesamtanlage Sinn machen und daher einer genauen – auch ökonomischen – Planung bedürfen.

Zu den offensichtlichen Einsparungs- und/oder zusätzlichen Nutzungsmöglichkeiten gehört auch die leider häufig geübte Praxis, einen konstanten Thermalwasserstrom zu fördern, der den maximalen Bedarf und tatsächlich oft auch wesentlich mehr abdecken kann, sowie den ungenutzten Rest in Gewässern oder Abwasserkanälen zu entsorgen. Gleiches gilt mutatis mutandis für das Abwasser der Thermalanlage selbst. Im Falle einer mehr als ausreichenden Thermalwasserversorgung würde eine bedarfsgemäße Steuerung der Fördermenge (Pumpensteuerung) zumindest den Thermalwasserleiter und die Förderanlage schonen, wenn schon kein zusätzlicher Nutzen aus der Übermenge gezogen werden soll. Darauf gehen wir im Folgenden aber nicht mehr näher ein, sondern beginnen mit zwei einfachen Maßnahmen, die Wärmeverluste im Versorgungssystem sowie im Badebereich sehr wesentlich vermindern können.

Wärmedämmung

Grundsätzlich sollten sämtliche Leitungen und sonstige Betriebseinheiten, die Thermalwasser leiten und daher Wärme an die Umgebung abgeben, sowohl im Freien als auch unter Dach, eine Wärmedämmung aus einer schlecht leitenden und reflektierenden Umhüllung aufweisen. Häufig ist dies auch der Fall, nicht selten bleiben jedoch gewisse Einheiten ausgespart, haben eine schadhafte Dämmung oder hatten nie eine. Abb. 25 bringt dazu einige Beispiele.

Abb. 25 – Thermalwasseranlagen ohne Wärmedämmung. Links oben ein Sondenkopf mit Ableitungen gänzlich ohne Einhausung und Dämmung; rechts oben ein Sondenkopf, an dem die Dämmung entfernt und nicht wieder erneuert wurde; unten ein nicht isolierter Thermalwassertank (rechts daneben drei Speisepumpen, links an der Wand eine Reserve-Tauchpumpe für die Bohrung).

Abdeckung der Wasserbecken

Aufgrund der Tatsache, dass bei Swimmingpools im Außenbereich die Wassertemperatur nicht gleich der Umgebungstemperatur ist, kommt es zu Energietransportvorgängen zwischen dem Wasser und der Umgebung. In Abb. 4 oben sind die Energieströme in Form von Wärme nach Kleemann & Meliß (1988) dargestellt. Die thermische (innere) Energie, die mit dem zu- und abströmenden Badewasser in das System „Swimmingpool“ eingebracht bzw. entnommen wird, sind hier nicht abgebildet, muss jedoch für eine detaillierte Analyse ebenso berücksichtigt werden.

So wie zu- und abfließende Wassermassenströme ausgeglichen sein müssen, um den Wasserstand im Schwimmbecken halten zu können, müssen die zu- und abfließenden Energieströme ausgeglichen sein, um eine bestimmte Temperatur halten zu können. Der größte Verlustenergiestrom entsteht durch Verdunstung, gefolgt vom Verlustwärmestrom durch Strahlung und Konvektion. Die Wärmeleitung durch die Beckenwand an die umgebende Erde spielt eine eher untergeordnete Rolle. Neben der Sonneneinstrahlung, die Sommer einen sehr großen Energiebeitrag leistet, jedoch nicht ganztägig zur Verfügung steht, muss eine Beckenheizung für die ausgeglichene Energiebilanz sorgen. Eine effiziente passive Möglichkeit, die erforderliche Beckenheizung zu reduzieren, ist die Abdeckung der Wasserfläche in den Zeiten, in welchen kein Badebetrieb herrscht (siehe Abb. 26 unten). Abb. 27 verdeutlicht, dass eine Schwimmbad-Abdeckung den Energiebedarf um bis zu 35 % reduzieren kann.

Abb. 26 – Schwimmbad-Abdeckung. Prinzipskizze aus: Kleemann & Meliß (1988): Regenerative Energiequellen, Springer, Berlin (u.a.). – Die mit Luftkammern ausgestattete Gliedermatte wird über die Wasseroberfläche gezogen und verhindert, solange kein Badebetrieb herrscht, die Wasserverdunstung sowie die Wärmeabstrahlung.

Abb. 27 – Energieeinsparung durch Schwimmbad-Abdeckung.

Brennwertkessel

Um die Abgasverluste zu minimieren, kann man, wenn der verwendete Brennstoff hochwertig genug ist (Erdgas, Erdöl ohne Schwefel) Kessel mit Brennwerttechnologie einsetzten. Bei Heißwasserkessel herkömmlicher Technologie, wie in Abb. 28 dargestellt, darf die Oberflächentemperatur der Heizflächen keinesfalls die Taupunkt-Temperatur der Schwefelsäure (die als Verbrennungsprodukt entsteht) unterschreiten, da es sonst zu massiver Korrosion kommen kann. Dies muss auch im Teillastbereich gewährleistet sein. Dadurch müssen jedoch hohe Abgastemperaturen, beispielsweise bis zu 185 °C bei Volllast und bis zu 125 °C im geringsten Teillastfall, eingehalten werden. Eine Nutzung der Verdampfungswärme des Wasserdampfes im Abgas ist somit nicht möglich und man muss mit Abgasverlusten von bis zu 17 % rechnen. Das Heizungswasser umschließt, wie in der Abbildung unten ebenfalls zu sehen ist, großvolumig die Rauchgaszüge. Es wird, vom Rücklauf kommend, gleichmäßig verteilt, sodass im gesamten Wasserbereich nahezu gleiche Temperaturen herrschen. Brennwertkessel, wie in Abb. 29 dargestellt, unterscheiden sich von der herkömmlichen Kesselbauart maßgeblich.

Abb. 28 – Konventioneller Heizkessel. Bild links aus Vertriebsunterlagen der Firma VIESSMANN. Die große Trommel unten im Gerät ist die Brennkammer, die mittelgroße darüber leitet die Verbrennungsgase ab; zuletzt strömen die Abgase durch die relativ kleinen Rohre, die hinten rechts zu erkennen sind. Das aufzuheizende Wasser strömt durch die Zwischenräume all dieser Kammern und Rohre. Gelb ist die Wärmedämmung gegenüber der Umgebung dargestellt. Die Funktionsweise ist also ähnlich wie bei einem Rohrwärmetauscher, die Wärmeübertragung findet jedoch nicht im Gegenstromprinzip statt. Rechts im Bild ein charakteristischer Temperaturverlauf für Wasser und Verbrennungsabgas (flue gas) im Kessel.

Abb. 29 – Brennwertkessel. Bild links aus Vertriebsunterlagen der Firma VIESSMANN, rechts wiederum ein charakteristisches Temperaturverlaufsdiagramm. Die Anordnung der Grundelemente ist im Vergleich zu Abb. 27 ähnlich, die Abgase werden jedoch durch einen Gegenstrom-Wärmetauscher mit einer sehr großen Gesamtheizfläche geführt (hinten im Gerät zu sehen).

Die Verbrennung findet zwar ebenfalls in einer großvolumigen Brennkammer statt, damit die Flamme nicht an kalte Heizflächen schlägt, was Russbildung und schlechten Ausbrand zur Folge hätte. Danach jedoch werden die Rauchgase durch einen Gegenstromwärmetauscher geführt, in welchem sie, je nach Temperaturniveau des Heizungswasser-Rücklaufs, ihre innere Energie bis zu einem Temperaturniveau von ca. 40 °C abgeben. Nach vollständiger (stöchiometrischer) Verbrennung von Erdgas setzt die Kondensation des Wasserdampfs bei ca. 60 °C ein. Bei einer Temperatur von 40 °C ist bereits mehr als die Hälfte des Wasserdampfes kondensiert und hat dabei ihre Verdampfungswärme frei gesetzt. Dabei werden Kesselwirkungsgrade von 95 % bezogen auf den Brennwert bzw. 106 % bezogen auf den Heizwert des Brennstoffes erreicht. Der Gegenstromwärmetauscher wir üblicherweise in Edelstahl ausgeführt, um jegliche Korrosion durch die Kondensationsprodukte zu vermeiden. Um eine teilweise Kondensation der dampfförmigen Bestandteile im Rauchgas zu ermöglichen, ist eine sehr niedrige Heizwasser-Rücklauftemperatur erforderlich (siehe Abb. 29 rechts). Bei einer Heizwasser-Rücklauftemperatur von 60 °C könnte kein Dampf kondensieren und damit kein hoher Kesselwirkungsgrad erreicht werden.

Wärmetauscher und Regelungskonzept

Damit ein Brennwertkessel die ihm zugedachte Wirkung entfalten kann, muss das gesamte Heizsystem auf eine möglichst niedrige Rücklauftemperatur ausgelegt sein. Abb. 13 oben zeigt einen Plattenwärmetauscher, wie sie heute in Industrie und Heizungstechnik eingesetzt werden. Diese Geräte zeichnen sich durch eine sehr große Wärmetauscherfläche („Heizfläche“) relativ zu ihrem Volumen aus und sind geeignet, mit sehr geringen Temperaturdifferenzen zu arbeiten. Steht eine hohe Temperaturdifferenz zwischen den beiden Medien zur Verfügung, kann zwar Heizfläche eingespart werden, die Wärmeübertragung ist jedoch mit hohen Exergieverlusten verbunden. Im unserer Referenzanlage 1 (Abb. 15) steht eine Hochtemperaturheizung zur Verfügung, die das Wasser in den Pools auf Temperatur halten muss. Für die temperaturabhängige Regelung dieses Zuheizsystems wurde eine Bypass-Regelung gewählt; sie ist in Abb. 30 schematisch dargestellt.

Abb. 30 – Schema einer Bypassregelung der Wärmetauscherleistung.

Bei dieser Methode wird durch eine Pumpe mit konstanter Drehzahl das Heizungswasser im Primärkreislauf gefördert. Die Leistungsregelung wird durch ein 3-Wege-Ventil realisiert, das den konstanten, heißen Wassermassenstrom zwischen Wärmetauscher und Bypassleitung aufteilt. Dies hat zur Konsequenz, dass, wenn sekundärseitig wenig Energie benötigt wird, ein großer Massenstrom am Wärmetauscher vorbeigeschleust wird, was die Rücklauftemperatur zum Heizungskessel fast auf Vorlauftemperatur anheben kann. Es ist offensichtlich, dass mit dieser Methode die niedrigen Rücklauftemperaturen, die ein effizienter Einsatz eines Brennwertkessels fordert, nicht erreicht werden können. Geringe Rücklauftemperaturen können jedoch mit drehzahlgeregelten Pumpen erreicht werden. Ein Massenstromregelung dieser Art ist zum Vergleich in Abb. 31 wiedergegeben. Hier wird der Massenstrom der Leistungsanforderung angepasst, sodass auch in der Teillast niedrige Rücklauftemperaturen erzielt werden können.

Abb. 31 – Schema einer Massenstromregelung der Wärmetauscherleistung.

Abb. 32 unten vergleicht nun den Temperaturverlauf der primär- und sekundärseitigen Medien über die Wärmetauscherfläche im Teillastfall für die zwei oben besprochenen Regelungskonzepte. Wie man sieht, bleibt bei der Bypassregelung jederzeit eine beinahe konstanter Temperaturdifferenz zwischen beiden Medien bestehen, während bei einer Massenstromregelung auch bei hohen Vorlauftemperaturen niedrige Rücklauftemperaturen erreicht werden können. Abb. 33 illustriert anschließend noch mal, dass der an sich sehr sinnvolle Einsatz eines Brennwertkessels (wie im Bild links) nur mit einem angepassten Regelungskonzept für die Wärmeübertragung im Versorgungsnetz zu verwirklichen ist, also mit einer Wärmetauscherregelung wie im rechts in Widerspruch steht.

Abb. 32 – Temperaturverlauf der Wärmetauschermedien im Vergleich zwischen (links:) Bypassregelung und (rechts:) Massenstromregelung.

Abb. 33 – Brennwertkessel im Gegensatz zu Bypassregelung der Wärmetauscher. Diese Methoden stehen in Widerspruch zueinander, weil eine sinnvolle Verwendung des Brennwertkessels eine niedrige Rücklauftemperatur voraussetzt. Dies jedoch ist mit einem Regelungskonzept der Wärmeübertragung im Versorgungsnetz, das etwa auf die rechts abgebildete Lösung (vgl. Abb. 29) zurückgreift, nicht zu gewährleisten.

Eine weitere Methode, die zu einer (unerwünschten) Anhebung der Temperatur im Rücklauf führt, ist die Einkopplung von Energie in den Rücklauf, wie dies beispielsweise in der Referenzanlage 1 (Abb. 15) mit der Abwärme der Kraft-Wärme-Kopplung geschieht. Aus denselben Gründen führt oben steht dies mit dem sinnvollen Einsatz eines Brennwertkessels ebenfalls in Widerspruch.

Abwärmenutzung mittels Wärmepumpe

Wärmepumpen können sowohl zur verbesserten Ausnutzung der Energie sowohl im Fortluftstrom der Lüftungsanlagen als auch zur Ausnutzung der Restenergie im Abwasser eingesetzt werden. Wie bereits Abb. 22 oben verdeutlicht, bringt eine einfache Wärmerückgewinnung in einer Klimaanlage schon beträchtliche Heizenergieeinsparung. Dies kann noch deutlich gesteigert werden, wenn die Lüftungsanlage, wie in Abb. 34 unten dargestellt, neben dem rekuperativen Wärmetauscher noch mit einer Wärmepumpe ausgestattet ist. Laut Röben (2002) können hier sogar bis zu 37 % Heizenergie eingespart werden (siehe Abb. 35).

Abb. 34 – Rekuperativer Wärmeüberträger mit Wärmepumpe. Aus: Röben, J. (2002): Wärmerückgewinnung mit Wärmepumpen im Schwimmbad. Heizung Fachjournal, 2002/03, 99-103.

Abb. 35 – Durchschnittliche Energiebilanz eines Hallenbades inkl. Sauna mit Wärmepumpen-Rekuperator-Klimagerät. Aus: Röben, J. (2002): Wärmerückgewinnung mit Wärmepumpen im Schwimmbad. Heizung Fachjournal, 2002/03, 99-103. – WP = Wärmepumpe.

Eine weitere Möglichkeit, Primärenergie einzusparen, stellt der Einsatz von Wärmepumpen zur Nutzung der Energie im Abwasser dar. Der Einsatz dieser Technologie im Thermalbad- und SPA-Bereich ist deshalb sehr effizient, da einerseits mit dem Abwasser ständig Abwärme in großer Menge bei relativ hoher Temperatur (meist bis ca. 30 °C) zu Verfügung steht und andererseits zum Wiederaufheizen des Schwimmbeckenwassers nur ein relativ niedriges Temperaturniveau (etwa 45 °C) ausreichend ist. Die Wärmepumpe kann daher für einen geringen Temperaturhub ausgelegt werden und erreicht deshalb sehr hohe Leistungsziffern. Wird, wie in Abb. 36 unten gezeigt, die Wärmepumpe zusammen mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW) betrieben, hat dies darüber hinaus noch den Vorteil, dass vom BHKW auch Energie auf höherem Temperaturniveau, beispielsweise für die Warmwasserbereitstellung, zur Verfügung gestellt wird.

Abb. 36 – Vergleich Brennwertkessel / Blockheizkraftwerk mit Wärmepumpe. Aus: Heizen und Kühlen mit Abwasser, Ratgeber für Bauherrschaften und Gemeinden, Aktion Energie In Infrastrukturanlagen. EnergieSchweiz, Bundesamt für Bauten und Logistik BBL, Bestell-Nr. 805.691.d 8.

Der in Abb. 36 gezeigte Vergleich zwischen dem Einsatz eines Brennwertkessels und der Verwendung eines Blockheizkraftwerks, das eine Wärmepumpe antreibt, verspricht sogar ein Einsparungspotential von bis zu 50 %.

Einkopplung von Solarenergie

Solare Energie eignet sich sehr gut zur Einkoppelung in eine Schwimmbadheizung. Ein Grund dafür ist, dass im Schwimmbad die Energie bei sehr niedrigem Temperaturniveau benötigt wird. Damit ist die Rücklauftemperatur zum Kollektor (Absorber) niedrig und selbst sehr einfach aufgebaute Kollektoren können passable Wirkungsgrade erzielen. Wirkungsgrade von thermischen Flachkollektoren unterschiedlicher Bauart bei einer Solarstrahlungsleistung von 500 W/m² in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Umgebung sind in Abb. 37 unten dargestellt. Abb. 38 zeigt anschließend ein sehr einfach aufgebautes System zur Schwimmbadheizung, wie es sehr oft in Freibädern installiert ist. Die Hauptkomponenten sind ein thermischen Absorber einfacher Bauart, und eine Umwälzpumpe. Wenn man das Schwimmbadwasser gleich im Solarkreislauf führt, kann man sich einen sekundären Wärmetauscher ersparen. Derartige Systeme sind allerdings nicht winterfest.

Abb. 37 – Wirkungsgrade von thermischen Kollektoren unterschiedlicher Bauart.

Abb. 38 – Schwimmbecken mit einfacher Solaranlage. Aus: Chartcenko (2004): Thermische Solaranlagen. 2. Aufl., Verl. f. Wiss. und Forschung, Berlin.

Abb. 39 – Schwimmbad mit Solaranlage. Aus: Chartcenko (2004): Thermische Solaranlagen. 2. Aufl., Verl. f. Wiss. und Forschung, Berlin.

Abb. 39 oben zeigt ein etwas komplexer aufgebautes solares Schwimmbadheizsystem. Hier ist der Solarkreislauf vom Schwimmbadwasser getrennt, was einen Wärmetauscher notwendig macht. Zusätzlich ist hier noch gezeigt, dass man einerseits die Solaranlage auch zur Brauchwassererwärmung verwenden kann, andererseits aber auch das Schwimmbadwasser, wenn notwendig, mit einem konventionellen Kessel erwärmen kann. Bei dieser Bauart werden meist Flachkollektoren mit selektiv beschichteten Absorbern verwendet, die auch das für die Brauchwasserbereitstellung erforderliche Temperaturniveau erreichen.

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Unter den empfohlenen Maßnahmen, die den Energiehaushalt von Thermalanlagen verbessern können, sind einerseits solche, die vielleicht nicht ohne weiteres einsichtig sind und sich erst aus einer genaueren Betrachtung der oben wiedergegebenen Diagramme und der Berechnungsergebnisse herleiten lassen. Andererseits aber sind einige sinnvolle und sogar nachträglich ohne Schwierigkeit umsetzbare Maßnahmen zu besprechen gewesen, die sich im Zuge einer Begehung geradezu aufdrängen und teilweise sogar für Besucher, die nicht auch die Kellerräume mit den technischen Einrichtungen aufsuchen, ersichtlich wären (Schwimmbecken-Abdeckung). In dem Zusammenhang muss natürlich auch gesagt werden, dass im Rahmen begrenzter Ressourcen für das Management zumeist die vordringliche Aufgabe darin besteht, durch die Gestaltung der allgemein zugänglichen Bereiche den steigenden Ansprüchen des Publikums Rechnung zu tragen und mit den absehbaren Trends Schritt zu halten. Das oftmalige Fehlen von offensichtlich und auch wirtschaftlich richtigen Maßnahmen, die Energie sparen, sogar in neu errichteten Bädern, deutet jedoch darauf hin, dass diese Fragen eines effizienten Energiehaushaltes in der Planung schon mit vielen anderen Detailproblemen in Konkurrenz stehen und letztlich untergehen, weil sie auch nicht in den Forderungskatalog aufgenommen worden sind. Das gegenständliche Projekt möchte einen Beitrag leisten, durch allgemein zugängliche Information das Bewusstsein der vorhandenen Möglichkeiten so weit zu schärfen und zu verbreiten, sodass diesem Missverhältnis in Zukunft Abhilfe geschaffen werden kann.

 

Abbildungen