Geothermie ist seit langem als stabile, kohlenstoffarme Energiequelle anerkannt, die aus der Erdwärme gewonnen wird. Das volle Potenzial dieser Ressource geht jedoch weit über die Stromerzeugung hinaus. Ein erheblicher Teil der aus geothermischen Speicherstätten gewonnenen Energie wird nicht in Elektrizität umgewandelt, sondern stattdessen als Abwärme freigesetzt. Dieses thermische Nebenprodukt, das oft entlüftet oder in die Umwelt abgegeben wird, stellt eine riesige, ungenutzte Ressource für Industrie und Gewerbe dar. Die Erfassung und Nutzung geothermischer Abwärme kann die Gesamtenergieeffizienz erheblich verbessern, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und die Betriebskosten senken. Da Industrie und Unternehmen dem wachsenden Druck ausgesetzt sind, zu dekarbonisieren, bietet die strategische Nutzung dieser ansonsten ausrangierten Wärme einen praktischen, wirtschaftlich attraktiven Weg zu nachhaltigen Betriebsabläufen.

Was ist geothermische Abwärme?

Geothermie ist die Wärmeenergie, die nach dem Primärenergiegewinnungsprozess in einem geothermischen System verbleibt. In geothermischen Kraftwerken wird heißes Wasser oder Dampf aus unterirdischen Reservoirs verwendet, um Turbinen anzutreiben und Strom zu erzeugen. Selbst in den effizientesten Doppel- oder Flash-Dampfanlagen wird ein erheblicher Teil der Wärme der Flüssigkeit nicht in Elektrizität umgewandelt und tritt als warmes oder mäßig heißes Wasser aus. In ähnlicher Weise enthält die abgebrannte Flüssigkeit bei direkt genutzten geothermischen Anwendungen wie Baden oder Gewächshausheizung noch gewinnbare Wärme. Diese verbleibende Wärmeenergie ist die Abwärme, die eingefangen und wiederverwendet werden kann.

Die Temperatur der geothermischen Abwärme variiert stark je nach Anlagentyp und Reservoirbedingungen. Niedertemperaturabwärme reicht typischerweise von 30 °C bis 90 °C, während Mitteltemperaturströme 120 °C oder höher erreichen können. Selbst am unteren Ende des Bereichs ist diese Wärme für viele industrielle und kommerzielle Prozesse ausreichend, insbesondere wenn sie mit Wärmepumpen oder Wärmetauschern gepaart werden. Der Schlüssel ist, die Temperatur- und Strömungseigenschaften des Abwärmestroms an eine geeignete Endanwendung anzupassen.

Quellen für geothermische Abwärme

  • Kraftwerkskondensatoren und Kühlsysteme - In Flash- und Trockendampfanlagen wird der Dampf, der die Turbine verlässt, kondensiert; Die freigesetzte latente Wärme kann für Fernwärme oder industrielle Vorwärmung aufgefangen werden.
  • Binäres Arbeitsfluid – Nachdem das sekundäre Arbeitsfluid die Turbine durchlaufen hat, trägt es immer noch erhebliche thermische Energie, die zu niedrigeren Temperaturanwendungen kaskadiert werden kann.
  • Geothermie-Sole-Reinjektionsströme – Die in das Reservoir zurückgespritzte ausgegebene Sole bleibt oft bei Temperaturen über 70 ° C und bietet eine stabile Wärmequelle, wenn sie vor der Wiedereinspritzung abgefangen wird.
  • Geothermiesysteme direkt nutzen – Wasser, das für Raumheizung, Aquakultur oder Gewächshausbetrieb verwendet wird, kann in Sekundärschleifen für zusätzliche Wärmegewinnung kaskadiert werden.

Industrielle Anwendungen von geothermischer Abwärme

Die Industrie macht einen großen Anteil am weltweiten Energieverbrauch aus, einen Großteil davon in Form von Prozesswärme. Geothermie kann die Verbrennung fossiler Brennstoffe in vielen dieser Prozesse verdrängen und sowohl Kosten als auch Emissionen reduzieren. Die folgenden Abschnitte untersuchen die wichtigsten Industriesektoren, in denen diese Abwärme effektiv eingesetzt werden kann.

Vorwärmung von Rohstoffen

Viele industrielle Prozesse erfordern, dass Rohstoffe auf erhöhte Temperaturen gebracht werden, bevor sie in die Hauptreaktions- oder Behandlungsstufe eintreten. Zum Beispiel muss das Rohmehl in der Zementproduktion auf etwa 800 ° C vorgewärmt werden, bevor es in den Ofen gelangt. Während geothermische Abwärme allein nicht so hohe Temperaturen erreichen kann, kann es verwendet werden, um den Vorlauf auf 100 ° C vorzuheizen, was die Menge des im Ofen benötigten Brennstoffs reduziert. In ähnlicher Weise kann in der Stahlindustrie Schrott mit geothermischer Abwärme vorgewärmt werden, bevor er in einen Lichtbogenofen geladen wird, wodurch der Stromverbrauch gesenkt und die Schmelzzeiten beschleunigt werden. Das US-Energieministerium hat die Vorwärmung als eine hochwirksame Anwendung für die industrielle Abwärmerückgewinnung hervorgehoben (siehe DOE industrielle Abwärmerückgewinnung Ressourcen).

Prozesswärme für chemische Reaktionen

Die chemische Herstellung beruht stark auf Dampf und heißem Wasser für Reaktionen, Destillation, Trocknung und Reinigung. Geothermale Abwärme bei Temperaturen zwischen 80 und 120 kann für viele dieser endothermen Prozesse direkt verwendet werden. Zum Beispiel muss bei der Herstellung von Ethanol die Maische für die Fermentation und Destillation erhitzt werden. Geothermale Abwärme kann einen großen Teil dieser thermischen Belastung liefern. In Zellstoff- und Papierfabriken kann Abwärme für die Verdampfung von Schwarzlauge und Papiertrocknung verwendet werden. Die Internationale Energieagentur schätzt, dass industrielle Wärme etwa zwei Drittel des gesamten industriellen Energiebedarfs ausmacht und geothermische Abwärme kann einen Teil dieses Bedarfs direkt kompensieren, insbesondere in Industrien mit moderaten Temperaturanforderungen.

Dampferzeugung für Turbinen und Maschinen

Auch wenn geothermische Abwärme nicht heiß genug ist, um Hochdruckdampf direkt für die Stromerzeugung zu erzeugen, kann sie verwendet werden, um Speisewasser von Kesseln vorzuwärmen oder Niederdruckdampf für mechanische Antriebe und Hilfsturbinen zu erzeugen. In Kombinationsanlagen mit Wärme und Kraft (KWK) kann eine Geothermieanlage zuerst Strom erzeugen und dann Abwärme an einen Sekundärdampferzeuger liefern, der Pumpen, Kompressoren oder Ventilatoren antreibt. Dieser Kaskadenansatz maximiert die aus jeder geothermischen Fluideinheit gewonnene Energie und ermöglicht es Industrieanlagen, ihren gekauften Strom- und Brennstoffverbrauch zu reduzieren. Einige Anlagen in Island und Neuseeland betreiben bereits solche kaskadierten Systeme, was technische und wirtschaftliche Rentabilität demonstriert.

Trocknungsprodukte und -materialien

Die Trocknung ist eine der energieintensivsten Anlagen in Industrien wie der Lebensmittelverarbeitung, dem Holz, der Keramik und den Mineralien. Geothermie-Abwärme eignet sich gut für Trocknungsanwendungen, da die erforderlichen Temperaturen oft zwischen 40 °C und 100 °C liegen. Zum Beispiel kann die geothermische Wärme bei der Herstellung von Fischmehl die Fischfeststoffe trocknen, wodurch der Bedarf an Erdgasbrennern entfällt. In der Holzindustrie kann die Ofentrocknung von Holz teilweise oder vollständig durch geothermische Abwärme betrieben werden. Landwirtschaftliche Produkte wie Getreide, Obst und Gemüse können auch mit geothermischer Abwärme in kontrollierten Umgebungen getrocknet werden. Die konsistente, kostengünstige Wärme verbessert die Produktqualität und reduziert den CO2-Fußabdruck. Die Geothermie Association hat zahlreiche Fallstudien zur direkten Nutzung der geothermischen Trocknung in der Landwirtschaft dokumentiert .

Zusätzliche industrielle Verwendungen

  • Verdampfung und Konzentration – In der Milchverarbeitung kann geothermische Abwärme Molke oder Milch vor der Sprühtrocknung konzentrieren.
  • Reinigung und Sterilisation – Lebensmittel- und Getränkeanlagen benötigen heißes Wasser für die Reinigung von Systemen am Ort (CIP); geothermische Abwärme kann dieses Wasser bei 70°C-90°C liefern.
  • Gewächshausheizung – Geothermie-Abwärme aus nahe gelegenen Kraftwerken kann für die ganzjährige Gemüse- und Blumenproduktion in Gewächshäusern geleitet werden, wie sie in Ungarn und Island ausgiebig praktiziert wird.
  • Aquakultur – Abwärme kann optimale Wassertemperaturen für Fisch- und Garnelenzucht aufrechterhalten, die Wachstumsraten steigern und die Sterblichkeit reduzieren.

Kommerzielle Anwendungen von geothermischer Abwärme

Gewerbliche Gebäude und Stadtteile erfordern Raumheizung, Kühlung, Warmwasser und manchmal Prozesswärme für Küchen, Wäschereien und Pools. Geothermie kann viele dieser Anforderungen erfüllen, insbesondere wenn sie in Fernwärmenetze oder Wärmepumpensysteme auf Gebäudeebene integriert werden.

Fernwärme und Fernkühlung

Eine der effektivsten Möglichkeiten, geothermische Abwärme in einem kommerziellen Kontext zu nutzen, ist durch Fernwärmenetze. Ein Geothermiekraftwerk oder eine Direktnutzungsanlage kann Warmwasser zu einem zentralen Wärmetauscher liefern, der dann ein Netzwerk von isolierten Rohren zu nahe gelegenen Gebäuden speist. Dieses Netzwerk kann Raumheizung, Warmwasser und sogar Absorptionskühlung (unter Verwendung von Kühlern, die mit Wärme statt mit Strom betrieben werden) bereitstellen. Städte wie Reykjavik, Island, haben umfangreiche Fernwärmesysteme gebaut, die geothermische Ressourcen nutzen und einige der niedrigsten Heizkosten der Welt erzielen. In jüngerer Zeit haben Projekte in Frankreich, Deutschland und den Vereinigten Staaten gezeigt, dass sogar geothermische Abwärme mit geringer Enthalpie ganze Stadtbezirke versorgen kann.

Raumheizung und Warmwasser in gewerblichen Gebäuden

Für einzelne gewerbliche Gebäude wie Hotels, Bürokomplexe und Einkaufszentren kann geothermische Abwärme über einen Sekundärkreislauf geliefert werden, der mit einer Wärmepumpe oder einem direkten Wärmetauscher verbunden ist. Wärmepumpen können die Temperatur von Abwärmeströmen erhöhen (z. B. von 30 ° C bis 50 ° C), um die Gebäudeanforderungen effizient zu erfüllen. Im Sommer kann dasselbe System umgekehrt arbeiten, um Kühlung durch Abstoßung von Wärme in den Boden oder einen Abwärmestrom zu gewährleisten. Viele Hotels in geothermischen Regionen haben diesen Ansatz für die Heizung von Gästezimmern, die Heizung von Schwimmbädern und das Warmwasser übernommen Wäsche, was die Energiekosten erheblich senkt. Der gewerbliche Sektor profitiert von dem hohen Leistungskoeffizienten (COP) von Wärmepumpen, wenn die Quellentemperaturen durch geothermische Abwärme erhöht werden.

Schneeschmelzen und Eisverhinderung

Geothermie kann durch Rohre zirkuliert werden, die in Gehwegen, Einfahrten und Parkplätzen eingebettet sind, um Schnee- und Eisansammlungen zu verhindern. Diese Anwendung ist besonders in kalten Klimazonen wertvoll, in denen die Schneeentfernung kostspielig und störend ist. Die Verwendung von Abwärme für die Schneeschmelze eliminiert die Notwendigkeit von chemischen Enteisern und verringert den Verschleiß der Infrastruktur. Mehrere Flughäfen und Transitbehörden in Island und Japan haben solche Systeme mit geothermischer Energie eingesetzt.

Schwimmbäder und Spas

Öffentliche Schwimmbäder, Wasserzentren und Kurorte verbrauchen große Mengen an Energie für die Warmwasserbereitung. Geothermie-Abwärme bietet eine kostengünstige, erneuerbare Alternative. An vielen Orten wird verbrauchtes geothermisches Wasser aus Kraftwerken oder Direktbrunnen direkt in Pool-Wärmetauscher geleitet. Diese Anwendung ist einfach, erfordert minimale Ausrüstung und liefert eine schnelle Amortisation. Die konsistente Wärmeversorgung verlängert auch die Schwimmsaison und verbessert den Komfort für die Benutzer.

Umsetzungstechnologien

Die Erfassung und Verteilung von geothermischer Abwärme erfordert eine Reihe bewährter Technologien. Zu den gängigsten Komponenten gehören Wärmetauscher, Wärmepumpen, Fernwärmeleitungen und Steuerungssysteme. Die Wahl der Technologie hängt von der Temperatur, der Durchflussrate und der chemischen Zusammensetzung des Abwärmestroms sowie der Entfernung zum Endverbraucher ab.

Wärmeaustauscher

Wärmetauscher übertragen thermische Energie von der geothermischen Flüssigkeit (oft Sole oder Dampfkondensat) zu einer sauberen Arbeitsflüssigkeit, ohne die beiden zu vermischen. Plattenwärmetauscher und Rohrbündelwärmetauscher sind weit verbreitet. Sie müssen aus korrosionsbeständigen Materialien wie Edelstahl oder Titan bestehen, wenn die geothermische Flüssigkeit chemisch aggressiv ist. Richtig konstruierte Wärmetauscher maximieren die Rückgewinnungseffizienz und schützen nachgeschaltete Geräte vor Skalierung oder Verschmutzung.

Wärmepumpen

Wenn die Abwärmetemperatur für den direkten Gebrauch zu niedrig ist (z. B. unter 40 ° C), können Wärmepumpen sie auf eine Nutztemperatur aufrüsten. Geothermie-Wärmepumpen (GHPs), die mit Abwärmeströmen gekoppelt sind, erzielen höhere Wirkungsgrade als solche, die Boden- oder Lufttemperaturen in der Umgebung verwenden. Zum Beispiel kann eine Abwärmequelle mit 30 ° C mit einem COP von 5 oder mehr auf 60 ° C erhöht werden, was bedeutet, dass fünf Wärmeeinheiten für jede verbrauchte Einheit geliefert werden. Hochtemperatur-Wärmepumpen, die Wasser mit 90 ° C liefern können;

Fernwärmenetze

Fernwärmesysteme bestehen aus einer zentralen Wärmequelle, einem Verteilungsnetz vorisolierter Rohre und Umspannstationen in jedem angeschlossenen Gebäude. Für geothermische Abwärme arbeitet das Netzwerk typischerweise mit Versorgungstemperaturen von 70 & # 176; C & # 8211; 90 & # 176; C und Rücklauftemperaturen von 30 & # 176; C & # 8211; 45 & # 176; C Moderne Rohre verwenden Polyurethan-Schaumisolierung und Polyethylen-Gehäuse, wodurch die Wärmeverluste auf weniger als 5% pro Kilometer reduziert werden. Steuerungssysteme modulieren die Durchflussraten an die Nachfrage und verbessern die Gesamteffizienz. Mehrere europäische Länder haben standardisierte Komponenten entwickelt, die die Installationskosten senken und eine schnelle Bereitstellung ermöglichen.

Herausforderungen und Emerging Solutions

Trotz der klaren Vorteile steht die weit verbreitete Nutzung der geothermischen Abwärme vor mehreren Hürden, die durch technologische Innovation, politische Unterstützung und Zusammenarbeit in der Industrie angegangen werden.

Kapitalkosten und Infrastruktur

Die Installation von Wärmetauschern, Pipelines, Wärmepumpen und Gebäudenachrüstungen erfordert erhebliche Vorabinvestitionen. Für Industrieanlagen kann die Amortisationszeit drei bis sieben Jahre betragen, was in kapitalbeschränkten Industrien ein Hindernis darstellen kann. Finanzielle Anreize wie Steuergutschriften, Zuschüsse und CO2-Preise verbessern jedoch die Wirtschaftlichkeit. Darüber hinaus reduzieren modulare und skalierbare Systemdesigns die Anfangskosten durch die schrittweise Implementierung. Regierungsprogramme wie das US-amerikanische DOE Geothermal Technologies Office bieten Finanzierung für Demonstrationsprojekte, die diese Investitionen risikofrei machen (siehe DOE Geothermal Technologies Office).

Standortspezifische Bedingungen

Nicht jeder Geothermiestandort erzeugt Abwärme bei Temperaturen oder Durchflussraten, die für eine wirtschaftliche Erfassung geeignet sind. Der Abstand zwischen der Wärmequelle und dem Endverbraucher beeinflusst auch die Lebensfähigkeit. Die Fortschritte bei gerichteten Bohr- und Tieflochwärmetauschern haben jedoch den Zugang zu tieferen, heißeren Ressourcen ermöglicht. Die verbesserte Technologie für Geothermiesysteme (EGS) kann Reservoirs in heißem trockenem Gestein erzeugen und das geografische Spektrum des geothermischen Abwärmepotenzials erweitern. Mit der Reife des EGS wird die Abwärmenutzung in vielen weiteren Regionen möglich.

Korrosion und Skalierung

Geothermieflüssigkeiten enthalten oft gelöste Mineralien und Gase, die zu Skalierung (z. B. Siliziumdioxid, Kalziumkarbonat) und Korrosion von Geräten führen können. Dies erfordert eine sorgfältige Materialauswahl, chemische Behandlung oder Designmerkmale wie Flash-Kristallisation, um Skalierungsverbindungen zu entfernen, bevor die Flüssigkeit in Wärmetauscher eintritt. Die Forschung an fortschrittlichen Beschichtungen und additiv hergestellten Komponenten führt zu länger anhaltenden Geräten. Die Betreiber entwickeln auch prädiktive Wartungsalgorithmen, um den Aufbau von Skalierung zu überwachen und die Reinigungspläne zu optimieren.

Regulierungs- und Genehmigungsbarrieren

In vielen Ländern ist der regulatorische Rahmen für die Nutzung von geothermischer Abwärme unterentwickelt. Genehmigungen können für die Flüssigkeitsgewinnung, -einkopplung und -verteilung erforderlich sein, und die Klassifizierung von Abwärme als Ressource und nicht als Abfall kann mehrdeutig sein. Schlanke Genehmigungsverfahren und klare rechtliche Definitionen sind erforderlich, um Investitionen zu fördern. Einige US-Bundesstaaten und europäische Länder haben Gesetze erlassen, die die Abwärmeabscheidung ausdrücklich genehmigen und Schutz von Eigentumsrechten bieten.

Zukunftsaussichten

Das globale Potenzial für die Nutzung von geothermischer Abwärme ist enorm. Nach Angaben der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) übersteigt die installierte geothermische Leistung weltweit 15 GW, mit einer zusätzlichen direkten Nutzungskapazität von 20 GW. Selbst wenn nur ein Bruchteil der zugehörigen Abwärme gewonnen wird, könnte dies jährlich Millionen Tonnen CO2 verdrängen. Das technische Potenzial für industrielle Wärme allein wird auf Hunderte von TWh pro Jahr geschätzt.

Mehrere Trends beschleunigen die Einführung. Erstens machen die sinkenden Kosten für Wärmepumpen und Fernwärmekomponenten Projekte wirtschaftlicher. Zweitens erzeugen Nachhaltigkeitsverpflichtungen der Unternehmen und staatliche Netto-Null-Ziele die Nachfrage nach kohlenstoffarmer Wärme. Drittens entwickeln sich Hybridsysteme, die geothermische Abwärme mit Solarwärme, Biomasse oder Wärmespeicherung kombinieren, als flexible Lösungen, die Wärme auf Abruf liefern können. Schließlich ermöglichen Digitalisierung und intelligente Steuerungen eine optimierte Verteilung von Abwärmeressourcen über mehrere Benutzer hinweg und maximieren die Nutzungsraten.

Innovationen wie organische Rankine-Zyklus-Bodenbildungszyklen (ORC-Bodenbildungszyklen), die zusätzliche Elektrizität aus Abwärme bei mittlerer Temperatur erzeugen können, erweitern ebenfalls den wirtschaftlichen Rahmen. Mit der Verbesserung der Bohrtechnologie und der Kommerzialisierung von EGS wird die Versorgung mit geothermischer Abwärme zunehmen und neue Möglichkeiten für industrielle und gewerbliche Nutzer eröffnen.

Geothermische Abwärme ist kein Nebenprodukt; sie ist eine strategische Ressource, die die Energiewirtschaft von Industrien und Gemeinden verändern kann. Durch die Priorisierung ihrer Erfassung und Nutzung können Unternehmen Betriebskosten senken, die Energiesicherheit verbessern und einen sinnvollen Beitrag zu globalen Klimazielen leisten. Die Technologie ist bereit, die Wirtschaft verbessert sich und die Zeit zum Handeln ist jetzt gekommen.