Die Wärmepumpe ist über einen Rohrleitungskreislauf mit dem Erdreich verbunden, der dem Boden die Wärme entzieht. Es wird z.B. eine 10 Grad „warme“ Flüssigkeit aus der Erde gepumpt und mit einer 5 Grad „kalten“ Temperatur zurückgeführt.

Diese Temperaturdifferenz macht sich die Wärmepumpe zunutze um ein Medium aufzuwärmen, das bei einer Kompression, also einer Druckerhöhung, eine gewünschte Wärme für das Wasser zum Waschen oder Heizen erreicht. Je wärmer die Temperatur aus dem Erdkreislauf ist, desto weniger Arbeit muss die Wärmepumpe für die Kompression leisten.

Das ist der große Vorteil der Geothermie-Heizanlage, die mit günstigem Strom das Erdreich vorerwärmt. Die Effizienz einer Wärmepumpe wird über die Leistungszahl ausgedrückt.

 

Die Leistungszahl gibt das Verhältnis zwischen eingesetzter elektrischer und gewonnener thermischer Energie einer Wärmepumpe an. Die Zahl 5 beschreibt die Heizleistung von 5 Kilowatt (KW), die beim Einsatz einer KW elektrischen Strom mit einer Wärmepumpe bereitgestellt wird. Bei diesem Beispiel kommen 4 Kilowatt kostenlose Wärmeenergie aus dem Erdreich. Die Leistungszahl einer Wärmepumpe steigt überproportional je höher die Temperatur des Erdreichs ist.

Das ist der „springende Punkt“ der Geothermie-Heizanlage, die preisgünstige und überschüssige elektrische Energie in Wärme umwandelt, um somit das Erdreich vorzuwärmen.

Das Ziel von power to heat ist die dynamische und zeitverschobene Nutzung von Stromüberkapazitäten. Die Leistung des Stroms wird mit Wärme-Erzeugern (z.B. Durchlauferhitzer, Tauchsieder, Wärmepumpen) in Wärme-Energie umgewandelt. Im Falle der Geothermie-Heizanlage wird die Wärme-Energie in das ohnehin vorhandene Erdreich eingespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder genutzt.
Der in Wärme verwandelte Strom hilft Verbrauchsspitzen, sogenannte peaks, abzubauen, und der Verbraucher kommt in den Genuss, günstige Stromtarife für die Geothermie-Heizanlage zu vereinbaren.

Power to heat, die Wärme-Erzeugung durch regenerativen Strom, wird am Gelingen der Reduktion von CO₂-Emissionen einen erheblichen Anteil haben. Der Wärmemarkt, der zu 90 % mit fossilen Energieträgern versorgt wird, ist neben dem Verkehr und der Stromversorgung einer der drei Energiesektoren.

Es wird in ein Stromnetz immer nur so viel elektrische Energie eingespeist, wie zu diesem Zeitpunkt verbraucht wird. Im Kleinen wie im Großen. Damit die Versorgung stabil bleibt, es also nicht zu Stromausfällen kommt, wird Regelenergie eingesetzt, um unvorhergesehene Abweichungen zwischen der Erzeugung und dem Verbrauch auszugleichen. Durch den intensiven Ausbau von Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen wird es künftig zu größeren Leistungsschwankungen kommen, so dass der Bedarf an Kapazitäten zur Energie-Speicherung steigen wird und immer mehr an Bedeutung gewinnt.

Mein Verfahren, mit vielen dezentralen Geothermie-Heizanlagen Energie zu speichern, kann einen erheblichen Teil dazu beitragen, das Energieversorgungssystem in Balance zu halten. Die regenerative Erzeugung von Strom erfordert eine Umkehr von der Einspeisung nach Verbrauch hin zum Verbrauch in Abhängigkeit der Erzeugung von Strom (Cunsumption of current follows generation of electricity).

Es gibt negative und positive Regelenergie:

• Negative Regelenergie wird benötigt, wenn die zum selben Zeitpunkt in das Netz eingespeiste Energie die entnommene übersteigt. Es besteht die Möglichkeit, Windkraftanlagen abzuschalten oder in dem Moment überschüssige Energie zu nutzen, um diese einzuspeichern.
• Positive Regelenergie wird bei erhöhter Stromnachfrage erforderlich. Es kann zusätzliche Energie eingespeist werden. Zudem besteht die Möglichkeit, Stromverbraucher abzuschalten.

Die Regelenergie wird in drei zur Verfügung stehenden Qualitäten eingeteilt:

• Die Primär-Regelenergie wird zur schnellen Stabilisierung des Netzes innerhalb von 30 Sekunden benötigt.
• Die Sekundär-Regelenergie muss innerhalb von fünf Minuten in voller Höhe zur Verfügung stehen.
• Die dritte Form der Regelenergie ist die Minutenreserve, die zur Ablösung der Sekundär-Regelenergie eingesetzt wird und in einem Zeitraum von mindestens 15 Minuten in konstanter Höhe abgerufen werden kann.

Um aktiv einen erheblichen Beitrag zum Gelingen der Energiewende leisten zu können, besteht die Möglichkeit, mit der Geothermie-Heizanlage in Sekundenschnelle elektrische Energie in Wärme umzuwandeln oder den Strom für die Wärme-Erzeugung abzuschalten. Es dient der am wertvollsten Primär-Regelenergie.

Zukünftig gewinnt die Flexibilität beim Stromverbrauch, hervorgerufen durch die fluktuierende Stromerzeugung, immer mehr an Bedeutung.

Den steigenden Anteil erneuerbaren Stroms in den Energiemix zu integrieren, erfordert die Erhöhung von Speicherkapazitäten. Die effizienteste Form ist die Wärmespeicherung, da sie nahezu grenzenlos, technologisch einfach und kostengünstig ist. Es ist genügend Speicherkapazität in dem betreffenden Zeitraum verfügbar, um schnell und flexibel die Leistung bei einer hohen Einspeisung abzurufen. Flexible Lasten bei der Bereitstellung von Regelleistung erzeugen Einsparpotenziale, die nicht nur einen privatwirtschaftlichen, sondern auch einen gesamtwirtschaftlichen Nutzen haben.

Der Stromverbrauch der Geothermie-Heizanlage entlastet, bei zielgerichteter Steuerung über Preissignale, die Netze, und in diesem Sinne erbringt es eine wertvolle Systemdienstleistung. Mit der Geothermie-Heizanlage wird die Wärme, erzeugt durch erneuerbaren Strom, dezentral beim Verbraucher „vor der Haustür“ im Erdreich gespeichert und bei Bedarf wieder entzogen. Es ist die Sektorenkopplung des Strom- und Wärmemarktes (power to heat).

Technologische Entwicklungen wie unter anderem das Smartmeter, das Demand Side Management und der Netzausbau werden im Zuge der Energiewende eine verlässliche, kosteneffiziente und umweltfreundliche Strom- und Wärmeversorgung gewährleisten.

Das smartmeter gateway ist ein digitaler Stromzähler, der flexible Erzeugungs- und Verbrauchseinrichtungen mit dem intelligenten Stromnetz (Smart grid) verbindet. Alle angeschlossenen Geräte können nicht nur Daten senden, sondern auch empfangen. Intelligente Mess-Systeme können den Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Energien besser in den Strommarkt einbinden.

Das SMGW besteht aus einem intelligenten Stromzähler, das sogenannte smartmeter, und einem Kommunikationsmodul. Es ist ein zertifiziertes Betriebsmittel, das eine hochsichere, verschlüsselte Datenverbindung zwischen Haus und Netzbetreiber herstellt. Voraussichtlich wird der Einbau des smartmeter, der Anfang 2020 begonnen hat, zur Pflicht. Das SMGW ist eine wesentliche technische Komponente, die einen entscheidenden Beitrag zum Gelingen der Energiewende leistet.

Bei der Geothermie-Heizanlage ist es die Kommunikationseinheit bzw. Schnittstelle, die alle notwendigen Steuersignale und Informationen zwischen dem Wärme-Erzeuger im Gebäude und dem Energienetz weiterleitet. Bei Verbrauchsspitzen kann über das SMGW die Wärmepumpe der Geothermie-Heizanlage abgeschaltet werden, und anders herum bei überschüssigem Strom wird dieser in Wärme umgewandelt und im Erdreich eingespeichert.

​Demand Response ist die gezielte Nachfrage von Strom, um ihn der Erzeugung anzupassen. Durch den steten Ausbau neuer Speichertechnologien, zu denen die Geothermie-Heizanlage einen erheblichen Beitrag leisten will, kann es immer besser gelingen, die fluktuierende (wechselnde) Energie-Erzeugung aus Windkraft und Sonne anzupassen. Das Demand Response wird über Preissignale am Strommarkt gesteuert.

Bei Stromüberschuss kann der Verbraucher günstigen Strom einkaufen und mit der Geothermie-Heizanlage das Erdreich als Wärmespeicher nutzen. Zu Spitzenzeiten kann die Geothermie-Heizanlage kurzfristig abgeschaltet werden, was im Austausch mit einer niedrigeren Nettopreiseinheit des Stromtarifs vergütet wird.

Das Demand Response ist für die Stromversorgung ein technologiegestütztes wirtschaftliches Rationierungssystem.

​Bei einer dezentralen Stromerzeugung wird elektrische Energie verbrauchernah (Geothermie-Heizanlagen) erzeugt. Wind- und Solarparks werden zur dezentralen Stromversorgung hinzugezählt. Bei größeren Anlagen ist der Übergang zur zentralen Stromerzeugung fließend. Auf der Verbraucherseite ist die Dezentralität in der Stromwirtschaft durch die Verteilnetze in einem hohen Maß gegeben.
Bei der dezentralen Stromversorgung und Verbrauch wird die Energie nicht in das Hochspannungsnetz eingespeist, sondern ins Mittel- und Niederspannungsnetz.

Durch nicht notwendige Transformationen der elektrischen Energie auf Hochspannungsleitungen und dem Transport über lange Strecken werden erhebliche Energieverluste vermieden. Diese bewegen sich im Milliarden Euro Bereich.

Die dezentrale Versorgung durch erneuerbare Energien, die im Zuge der Energiewende immer mehr an Bedeutung gewinnt, gesteuert von der kommunalen Politik, trägt zur Wertschöpfung der Städte und Gemeinden bei und unterstützt die Entwicklung strukturschwacher Regionen. Arbeitsplätze verbunden mit erneuerbaren Energien verteilen sich über das gesamte Bundesgebiet. Durch lokale und regionale Wertschöpfung sowie durch Autonomie der Eigenversorgung und einer breiteren Teilhabe der Bürger entwickelt sich eine größere Akzeptanz der Bevölkerung.

Die Wärmepumpe ist über einen Rohrleitungskreislauf mit dem Erdreich verbunden, der dem Boden die Wärme entzieht. Es wird z.B. eine 10 Grad „warme“ Flüssigkeit aus der Erde gepumpt und mit einer 5 Grad „kalten“ Temperatur zurückgeführt.

Diese Temperaturdifferenz macht sich die Wärmepumpe zunutze um ein Medium aufzuwärmen, das bei einer Kompression, also einer Druckerhöhung, eine gewünschte Wärme für das Wasser zum Waschen oder Heizen erreicht. Je wärmer die Temperatur aus dem Erdkreislauf ist, desto weniger Arbeit muss die Wärmepumpe für die Kompression leisten.

Das ist der große Vorteil der Geothermie-Heizanlage, die mit günstigem Strom das Erdreich vorerwärmt. Die Effizienz einer Wärmepumpe wird über die Leistungszahl ausgedrückt.

 

Die Leistungszahl gibt das Verhältnis zwischen eingesetzter elektrischer und gewonnener thermischer Energie einer Wärmepumpe an. Die Zahl 5 beschreibt die Heizleistung von 5 Kilowatt (KW), die beim Einsatz einer KW elektrischen Strom mit einer Wärmepumpe bereitgestellt wird. Bei diesem Beispiel kommen 4 Kilowatt kostenlose Wärmeenergie aus dem Erdreich. Die Leistungszahl einer Wärmepumpe steigt überproportional je höher die Temperatur des Erdreichs ist.

Das ist der „springende Punkt“ der Geothermie-Heizanlage, die preisgünstige und überschüssige elektrische Energie in Wärme umwandelt, um somit das Erdreich vorzuwärmen.

Der Toaster verdeutlicht, dass kein Mensch immer nur dann Toast essen möchte, wenn der Strom günstig ist, und genauso möchte niemand immer nur zu diesen Zeiten seine Räumlichkeiten heizen. Deswegen ist es wichtig, für Wärme Speicherkapazitäten zu schaffen.
Wärmespeicher sind Stoffe (z.B. Erdreich), die thermische Energie kurzfristig wie auch saisonal einlagern können.

Je nach Bedarf wird Hochtemperaturwärme für industrielle Anwendungen aufgenommen und wieder abgegeben, oder zur Beheizung von Gebäuden genügt die Speicherung der Niedertemperaturwärme. Der große Vorteil der Niedertemperaturwärme ist die relativ geringe Temperaturdifferenz zu ihrer Umgebung, so dass kaum Wärmeverluste entstehen und im Falle der Geothermie-Heizanlage auch keine Dämmung erforderlich ist.

Bei der Geothermie-Heizanlage verhindert die Wärme, die in das Erdreich eingebracht wird, ein Auskühlen des Bodens, was die Leistungszahl einer Wärmepumpe erheblich verschlechtert. Bei der Geothermie-Heizanlage handelt es sich um einen kurzfristigen Energiespeicher.

Es wird in ein Stromnetz immer nur so viel elektrische Energie eingespeist, wie zu diesem Zeitpunkt verbraucht wird. Im Kleinen wie im Großen. Damit die Versorgung stabil bleibt, es also nicht zu Stromausfällen kommt, wird Regelenergie eingesetzt, um unvorhergesehene Abweichungen zwischen der Erzeugung und dem Verbrauch auszugleichen. Durch den intensiven Ausbau von Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen wird es künftig zu größeren Leistungsschwankungen kommen, so dass der Bedarf an Kapazitäten zur Energie-Speicherung steigen wird und immer mehr an Bedeutung gewinnt.

Mein Verfahren, mit vielen dezentralen Geothermie-Heizanlagen Energie zu speichern, kann einen erheblichen Teil dazu beitragen, das Energieversorgungssystem in Balance zu halten. Die regenerative Erzeugung von Strom erfordert eine Umkehr von der Einspeisung nach Verbrauch hin zum Verbrauch in Abhängigkeit der Erzeugung von Strom (Cunsumption of current follows generation of electricity).

Es gibt negative und positive Regelenergie:

• Negative Regelenergie wird benötigt, wenn die zum selben Zeitpunkt in das Netz eingespeiste Energie die entnommene übersteigt. Es besteht die Möglichkeit, Windkraftanlagen abzuschalten oder in dem Moment überschüssige Energie zu nutzen, um diese einzuspeichern.
• Positive Regelenergie wird bei erhöhter Stromnachfrage erforderlich. Es kann zusätzliche Energie eingespeist werden. Zudem besteht die Möglichkeit, Stromverbraucher abzuschalten.

Die Regelenergie wird in drei zur Verfügung stehenden Qualitäten eingeteilt:

• Die Primär-Regelenergie wird zur schnellen Stabilisierung des Netzes innerhalb von 30 Sekunden benötigt.
• Die Sekundär-Regelenergie muss innerhalb von fünf Minuten in voller Höhe zur Verfügung stehen.
• Die dritte Form der Regelenergie ist die Minutenreserve, die zur Ablösung der Sekundär-Regelenergie eingesetzt wird und in einem Zeitraum von mindestens 15 Minuten in konstanter Höhe abgerufen werden kann.

Um aktiv einen erheblichen Beitrag zum Gelingen der Energiewende leisten zu können, besteht die Möglichkeit, mit der Geothermie-Heizanlage in Sekundenschnelle elektrische Energie in Wärme umzuwandeln oder den Strom für die Wärme-Erzeugung abzuschalten. Es dient der am wertvollsten Primär-Regelenergie.

Ein virtuelles Kraftwerk ist der Verbund aus vielen dezentralen Einzelanlagen. Dieser Verbund z.B. vieler Geothermie-Heizanlagen stellt verlässlich elektrische Regelleistung bereit.

Virtuelle Kraftwerke werden mit einer zentralen Steuerung untereinander verbunden.

Bei einem Zusammenschluss vieler kleiner Anlagen zur Bereitstellung von Regelleistung wird auch von Regelenergie-Pools gesprochen.

Zukünftig gewinnt die Flexibilität beim Stromverbrauch, hervorgerufen durch die fluktuierende Stromerzeugung, immer mehr an Bedeutung.

Den steigenden Anteil erneuerbaren Stroms in den Energiemix zu integrieren, erfordert die Erhöhung von Speicherkapazitäten. Die effizienteste Form ist die Wärmespeicherung, da sie nahezu grenzenlos, technologisch einfach und kostengünstig ist. Es ist genügend Speicherkapazität in dem betreffenden Zeitraum verfügbar, um schnell und flexibel die Leistung bei einer hohen Einspeisung abzurufen. Flexible Lasten bei der Bereitstellung von Regelleistung erzeugen Einsparpotenziale, die nicht nur einen privatwirtschaftlichen, sondern auch einen gesamtwirtschaftlichen Nutzen haben.

Der Stromverbrauch der Geothermie-Heizanlage entlastet, bei zielgerichteter Steuerung über Preissignale, die Netze, und in diesem Sinne erbringt es eine wertvolle Systemdienstleistung. Mit der Geothermie-Heizanlage wird die Wärme, erzeugt durch erneuerbaren Strom, dezentral beim Verbraucher „vor der Haustür“ im Erdreich gespeichert und bei Bedarf wieder entzogen. Es ist die Sektorenkopplung des Strom- und Wärmemarktes (power to heat).

Technologische Entwicklungen wie unter anderem das Smartmeter, das Demand Side Management und der Netzausbau werden im Zuge der Energiewende eine verlässliche, kosteneffiziente und umweltfreundliche Strom- und Wärmeversorgung gewährleisten.

Das smart grid ist die intelligente Steuerung des Stromnetzes. Das Netzwerk verbindet die Erzeugungseinheiten, über Freileitungen, Erdkabeln und den Schalt- und Umspannwerken, mit dem Verbraucher.

Bei der Geothermieheizanlage wird durch eine gezielte Kommunikation das Stromangebot zwischen der Wärmespeicherkapazität, dem Wärmebedarf des Gebäudes und dem Netzbetreiber in Einklang gebracht.
Mit dem smart grid können unterschiedliche Bestandteile des Stromnetzes optimiert und Vorteile für Unternehmen und Verbrauchern generiert werden.

Mit der dynamischen Kommunikation wird eine Lastflexibilisierung erzielt, die nicht nur ökonomisch und ökologisch sinnvoll ist, sondern auch einer Netzüberlastung entgegenwirkt.
Über dynamische Optimierungsmodelle lässt sich der Wirkungsgrad der eingesetzten Energien verbessern. Das bedeutet im Fachjargon demand response.
Das smart grid verbindet unter anderem viele kleine Anlagen die somit als virtuelles Kraftwerk funktionieren. Mit diesem Verfahren wird ein erheblicher Beitrag zur Energiewende geleistet. Es entsteht eine win-win Situation auf Seiten der Verbraucher und der Netzbetreiber und somit kommt es der gesamten Gesellschaft zugute.

Technisch möglich ist das durch die zentrale Komponente des sogenannten smartmeter gateway (SMGW) das alle notwendigen Steuersignale und Informationen zielgerichtet zwischen Haus, Wärmepumpe und Energienetz weiterleitet. Das SMGW ist ein zertifiziertes Backend, das eine hochsichere Datenverbindung zwischen Haus und Netzbetreiber herstellt.

​Demand Response ist die gezielte Nachfrage von Strom, um ihn der Erzeugung anzupassen. Durch den steten Ausbau neuer Speichertechnologien, zu denen die Geothermie-Heizanlage einen erheblichen Beitrag leisten will, kann es immer besser gelingen, die fluktuierende (wechselnde) Energie-Erzeugung aus Windkraft und Sonne anzupassen. Das Demand Response wird über Preissignale am Strommarkt gesteuert.

Bei Stromüberschuss kann der Verbraucher günstigen Strom einkaufen und mit der Geothermie-Heizanlage das Erdreich als Wärmespeicher nutzen. Zu Spitzenzeiten kann die Geothermie-Heizanlage kurzfristig abgeschaltet werden, was im Austausch mit einer niedrigeren Nettopreiseinheit des Stromtarifs vergütet wird.

Das Demand Response ist für die Stromversorgung ein technologiegestütztes wirtschaftliches Rationierungssystem.

​Bei einer dezentralen Stromerzeugung wird elektrische Energie verbrauchernah (Geothermie-Heizanlagen) erzeugt. Wind- und Solarparks werden zur dezentralen Stromversorgung hinzugezählt. Bei größeren Anlagen ist der Übergang zur zentralen Stromerzeugung fließend. Auf der Verbraucherseite ist die Dezentralität in der Stromwirtschaft durch die Verteilnetze in einem hohen Maß gegeben.
Bei der dezentralen Stromversorgung und Verbrauch wird die Energie nicht in das Hochspannungsnetz eingespeist, sondern ins Mittel- und Niederspannungsnetz.

Durch nicht notwendige Transformationen der elektrischen Energie auf Hochspannungsleitungen und dem Transport über lange Strecken werden erhebliche Energieverluste vermieden. Diese bewegen sich im Milliarden Euro Bereich.

Die dezentrale Versorgung durch erneuerbare Energien, die im Zuge der Energiewende immer mehr an Bedeutung gewinnt, gesteuert von der kommunalen Politik, trägt zur Wertschöpfung der Städte und Gemeinden bei und unterstützt die Entwicklung strukturschwacher Regionen. Arbeitsplätze verbunden mit erneuerbaren Energien verteilen sich über das gesamte Bundesgebiet. Durch lokale und regionale Wertschöpfung sowie durch Autonomie der Eigenversorgung und einer breiteren Teilhabe der Bürger entwickelt sich eine größere Akzeptanz der Bevölkerung.