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CO2- Sonde

Wärmepumpenanlage mit CO2-Tiefensonde. Quelle: http://energieberatung.ibs-hlk.de.
Schematische Darstellung einer Phasenwechselsonde (Heat Pipe), Einrohrsonde
(a) und Zweirohrsonde (b). Quelle: Stober
Blick auf den Sondenkopf mit inliegendem Wärmetauscher einer CO2-Sonde. Quelle: Stober

Bei der CO2-Sonde wird dem Erdreich Wärme entzogen. Als Wärmeträger kommt Kohlendioxyd zum Einsatz.

Durch Aufnahme der Erdwärme verdampft das flüssige CO2 im Sondenrohr, steigt dadurch auf und gibt die Erdwärme in einem Wärmetauscher an das Arbeitsmittel der Wärmepumpe ab. Durch diese Wärmeabgabe wird das CO2 wieder flüssig und fließt im Sondenrohr nach unten. Das Erdreich erwärmt das CO2, womit es wieder verdampft und aufsteigt. Dadurch ist ein kontinuierlicher Kreislauf gegeben. Da das CO2 selbstständig zirkuliert, wird bei diesem energieeffizienten System keine zusätzliche Antriebsenergie benötigt.

Da CO2 durch herkömmliche PE-Rohre diffundiert, besteht der Prototyp einer modernen CO2-Sonde aus einem flexiblen, druckfesten spiralgewelltem Edelstahl-Wellrohr, da Eisen-, Stahl- oder Kupferrohre empfindlich gegenüber Korrosionsschäden sind. Der Durchmesser der heute in der Regel verwendeten Rohre beträgt zwischen 40 und 60,3 mm. Der CO2-Flüssigkeitsfilm läuft an der Innenwand des Wellrohres spiralförmig, geschützt durch die Wendel, hinab. Nach der Verdampfung strömt das Gas im freien Querschnitt des Edelstahlwellrohrs ohne Behinderung des Films aufwärts zum Wärmetauscher, an dem es wieder kondensiert. Das Arbeitsmittel der Wärmepumpe zirkuliert als Wärmeträgermedium im Kühlkopf der CO2-Sonde und kommt dort zum Verdampfen.

Derzeit wird hierbei an der technischen Lösung zur mehrfachen Anbindung einzelner CO2-Erdwärmerohre an einen Wärmeüberträger zwecks Verflüssigung und Verteilung des flüssigen CO2 auf mehrere Sonden geforscht. Weitere Untersuchungen gehen in Richtung erhöhter Sondentiefen von 400–600 m. Derzeit ist nach Kenntnisstand die 250 m tiefe CO2-Sonde bei Triberg in den Graniten des  Schwarzwaldes am tiefsten.

Bei den neu konzipierten noch tieferen Sonden müssen der zunehmende hydrostatische Druck innerhalb der CO2-Gassäule in der Sonde und auch die mit der Tiefe zunehmende Untergrundtemperatur bei der Auslegung stärker berücksichtigt werden. Außerdem kann es beim Betrieb von sehr langen CO2-Sonden an den Wandungen der Sonde insbesondere bei erhöhter Wärmestromdichte zum Abriss
des CO2-Flüssigkeitsfilms kommen.

Neben dieser sogenannten Einrohrsonde können CO2-Erdwärmesonden auch als Zweirohrerdwärmesonden ausgeführt werden. Bei der Zweirohrsonde erfolgt eine Trennung von flüssiger und gasförmiger Phase durch zwei ineinander (koaxial) geführte Rohre. Das dampfförmige CO2 steigt im äußeren Rohr zum Wärmetauscher auf, kondensiert und wird in das innere Rohr geleitet, an dem es wieder hinabläuft. Dadurch soll verhindert werden, dass der nach unten rieselnde Flüssigkeitsfilm bei zu geringem Rohrdurchmesser den nach oben steigenden CO2-Dampf behindert. Mit den CO2- Zweirohrerdwärmesonden ist neben dem Heizen auch ein Kühlen möglich, wofür dann natürlich der Einsatz einer Pumpe notwendig wird.

Siehe auch Wärmerohr oder heat pipe.

Literatur

Stober, Ingrid; Kurt Bucher (2020): Geothermie, Springer Spektrum, 3. Auflage. ISBN 978-3-662-60939-2 ISBN 978-3-662-60940-8 (eBook). https://doi.org/10.1007/978-3-662-60940-8.

zuletzt bearbeitet August 2020