Leistungsfähige Geothermie mit Grundwasserzirkulation zur Wärme- und Kälteversorgung. Büro- und Geschäftsgebäude Hafencity Hamburg

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1 Leistungsfähige Geothermie mit Grundwasserzirkulation zur Wärme- und Kälteversorgung Büro- und Geschäftsgebäude Hafencity Hamburg 1

2 Die Großstadt als Wärme- und Stromsenke Lastregulation bei Umbau auf Strom basierte Energiewirtschaft Heizung mit Wärmepumpen Geothermische Kühlung ohne Stadtklimaaufheizung Thermische Bewirtschaftung des Grundwasserleiters Reinigung des Grundwasserkörpers 2

3 Erneuerbare Energien innerstädtisch? Einwohner / km² > Einwohner / km² DIW (Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung) Berlin 2010: Bundesländer-Vergleichsstudie mit Analyse der Erfolgsfaktoren für den Ausbau der Erneuerbaren Energien

4 Regenerative Energieversorgung künftig Strom basiert - Wind - Photovoltaik - Biogas maximal 15-20% Abdeckung - (Tiefengeothermie noch experimentell) - langfristig Methanisierung? ( power to gas ) Herausforderung - Lastregulation - Speicherung 4

5 Erdwärme Solares Angebot: mehr als kwh pro qm Grundfläche im Jahr kwh Solarwärme pro qm Grundfläche im Jahr Grundwasserströmung 20 Meter 50 kwh Wärmebedarf pro qm Wohnfläche im Jahr 0,5 kwh Wärmeenergiezustrom pro qm Grundfläche im Jahr 99% der Erde sind wärmer als C 5

6 Wärmespeicherkapazität Beton 2,1 1,6-2,2 Sand Sand Ton Beton trocken feucht trocken 20 m Temperaturhub 15 Kelvin (5-20 C) kwh kwh kwh kwh 6

7 Solarthermische Regeneration des Erdreichs WINTER SOMMER 7

8 Solarthermische Regeneration des Erdreichs WINTER SOMMER 8

9 Integralsonde mit Solarregeneration 9

10 Temperaturausbreitung Luftbild 10

11 Urbane Erwärmung als Energiequelle Besiedlungsstruktur Grundwassertemperatur in 20m Tiefe 2010 Grundwassertemperatur 11

12 Solare Regeneration mit Absorbern 12

13 Erdsonden Erdsonde 8 C Temperaturgradient 0 C Sole PE Rohr Füllmittel (Bentonit) Erde Heizungssystem Temp. 35 C 35 Kelvin Watt / Meter Geothermiequelle Temp. 0 C 13

14 Saug - Schluckbrunnen Heizungssystem Temp. 35 C Geothermiequelle Temp. 10 C 25 Kelvin 14

15 Aquifer Heterogenitäten (Anisotropie) 15

16 Grundwasserzirkulation 50 kw / Bohrung 200 MWh / Jahr Heizungssystem Temp. 35 C Geothermiequelle Temp. 10 C 25 Kelvin 16

17 Integralsonde im Porengrundwasserleiter 17

18 Wohnungsbestand nach Gebäudestruktur Annähernd 80 % der zu beheizenden Wohnfläche befindet sich im Zentrum 1,89 Mio Wohnungen verteilen sich auf Wohngebäude Aus IBB Wohnungsmarktbericht 2009 Quelle: Amt für Statistik Berlin-Brandenburg 18

19 Erdwärme in dicht besiedelten Gebieten? Punktdichte Erdwärmeanlagen in Berlin 19

20 Geschossflächenzahl 20

21 Wärmebedarf grundstücksflächenbezogen (Sanierungsstand ENEV2012 mit 50 kwh/m²*a) 250 kwh / m³ * a 250 kwh / m³ * a 200 kwh / m³ * a 150 kwh / m³ * a 100 kwh / m³ * a 50 kwh / m³ * a 21

22 Wärmebedarf Freiflächen bezogen 830 kwh / m² 250 kwh / m² * a 250 kwh / m² * a 200 kwh / m² * a 150 kwh / m² * a 100 kwh / m² * a 50 kwh / m² * a 0,4 0,7 0,4 0,3 0,4 0,3 0,2 0,1 22

23 Geothermische Grundwasserdirektnutzung 23

24 Kühlung Hoher Strom- / Primärenergieverbrauch Dachaufbauten bilden optisch die 5 Fassade Denkmalschutz Dachflächenverbrauch Lärmbelästigung Zusätzliche Aufheizung der Stadtatmosphäre Maschinelle Kühlung demnächst unzulässig? 24

25 Aufheizung der Stadtatmosphäre 25

26 Aufheizung der Stadtatmosphäre oder Speicherung im Erdreich 26 26

27 Temperaturhub im Winter Hoher Temperaturhub mit mäßiger Arbeitszahl der Wärmepumpe Geringerer Temperaturhub mit besserer Arbeitszahl der Wärmepumpe Grundwasservorlauftemperatur Wärmepumpenbetrieb (je kleiner desto besser) 27

28 Temperaturhub im Frühjahr Direktkühlung mit geringer Temperaturreserve Direktkühlung mit ca 11 C Vorlauftemperatur Grundwasservorlauftemperatur Direktkühlung (je größer desto besser) 28

29 Temperaturhub im Sommer Aktive Kühlung unter Einsatz der Wärmepumpe erforderlich Durchgehend passive Direktkühlung ohne Einsatz der Wärmepumpe Grundwasservorlauftemperatur Direktkühlung (je größer desto besser) Wärmepumpenbetrieb (je kleiner desto besser) 29

30 Rücklauftemperaturen im Vergleich 30

31 9 Sonden mit Grundwasserströmung 31

32 Integral-Sonde 32

33 9 PE-Sonden vs Integralsonde 33

34 Ablaufplan zur Errichtung einer Geothermieanlage Projektierung Engineering Simulation Anlagensimulation 34

35 Primärenergie: Energieflussdiagramm 125 MWh 93 MWh 75,4 MWh 30 MWh 17 MWh WRG 20 MWh Solar-,Geothermie,WRG, Elektrowärmepumpen Bei PEF = 2,6 (Strommix D) 75,4 MWh PE 29 MWh Strom 93 MWh WW 30 MWh Transmissionsverluste 17 MWh Lüftungsverluste 140 MWh Jahresheizarbeit Integrierte Anlagenplanung erfordert zeitlich hoch aufgelöste Energiefluss-Simulation Solar-,Geothermie,WRG, Gasabsorptionswärmepumpen Bei PEF = 1,1 (ENEV2009) 95,7 MWh PE 87 MWh Gas 93 MWh WW 30 MWh Transmissionsverluste 17 MWh Lüftungsverluste 140 MWh Jahresheizarbeit 35

36 Ablaufplan zur Errichtung einer Geothermieanlage Projektierung Engineering Simulation Anlagenprojektierung 36

37 Betriebszustände Überblick 300 kw 200 kw 100 kw 0 kw -100 kw -200 kw Heizen Spitzenlast Heizen Grundlast Aktivkühlung Direktkühlung -300 kw -400 kw 37

38 Ablaufplan zur Errichtung einer Geothermieanlage Projektierung Engineering Simulation Thermohydraulische Simulation 38

39 Einfluss der Grundwasserströmung 39

40 Ablaufplan zur Errichtung einer Geothermieanlage Projektierung Engineering Simulation Bohrung, Ausbau Solarabsorber Wärmepumpen Hydraulik Mess- und Regelungtechnik Wartung 40

41 Wohn- und Gewerbevilla mit 3 Messketten 30 kw geothermische Grundlast Heizen und (passiv) Kühlen 93 MWh / Jahr 2009 Davon 88 MWh durch Wärmepumpe 60 kw Spitzenlast-Gaskessel Inbetriebnahme 2007 Herbst Winter Frühjahr Sommer Herbst 41

42 Temperaturentwicklung in 4 Jahren Betriebszeit 42

43 Alterung Berliner Trinkwasserbrunnen Die Brunnen der Berliner Wasserbetriebe fördern im Durchschnitt ganzjährig 33 m³/ Stunde im Jahr m³ Grundwasser (durchschnittliches Alter Jahre, Wartung alle 5-8 Jahre) Eine leistungsstarke Geo-En-Integralsonde mit 50 kw Entzugsleistung zirkuliert 14m³/ Stunde im Jahr m³ Grundwasser (bei Jahresbetriebsstunden) Geothermisches Geo-En Technologie Heizen und Kühlen 43 43

44 Brunnenalterung / Verockerung Filterbemessung Einbautiefe Milieuwechsel vermeiden Edelstahlwickeldrahtfilter Glaskugelschüttung Geringe Strömungsgeschwindigkeiten Luftabschluss (Vakuum!) Intensiventsandung Geothermisches Geo-En Technologie Heizen und Kühlen 44 44

45 Brunnenausbau mit Edelstahlwickeldrahtfiltern und Glaskugeln Geothermisches Geo-En Technologie Heizen und Kühlen 45 45

46 Entsanden doppelläufig und koaxial Doppelläufiger Grundwasser- Zirkulationsbrunnen Koaxialer Grundwasserzirkulationsbrunnen Geothermisches Geo-En Technologie Heizen und Kühlen 46 46

47 Brunnenentwicklung 47

48 Impulseintragsverfahren 48

49 Manschetten- / Doppelpacker- / Doppelkolbenkammer 49

50 Genehmigungspraxis PROBLEM LÖSUNG Temperaturgrenzen +/- 6 Kelvin (minimal 5 C, maximal 20 C) maximal 3 Kelvin Abweichung an der Grenze in der Bilanz kein Wärmeeintrag Schadstoffverschleppung nur abseits kontaminierter Areale bauen Vermischung verschiedener Grundwässer Zirkulation nur in einem Horizont, Sperrschichten 50

51 Ökologische Auswirkungen von Wärmeabführung in oberflächennahe Grundwasserleiter Erwärmung führt steigert bakterielle Diversität, und mindert die Diversität der Fauna Die Gesamtzahl der Bakterien und Kleinstlebewesen bleibt gleich Die Aktivitäten beider Organismengruppen hingegen werden nur unwesentlich beeinflusst Die thermisch bedingte Biodiversität war geringer als die räumlich und saisonale bedingte Schwankungsbreite Fazit: Für den untersuchten Temperaturbereich stellt thermische Nutzung keine Gefahr für GW Ökosystemfunktionen, GW Qualität und Trinkwassergewinnung dar. Brielmann et al., 2009 Helmholtz Institut für Grundwasserökologie München 51

52 Öffentlich zugängliche Altlastenkastaster? 52

53 Abdichtung der Grundwasserstockwerke 53

54 Mobilisierung / Verschleppung von Altlasten Wasserschutz 54

55 Synergie Thermische Nutzung & Grundwassersanierung? Sanierung Geothermisches & energetische Heizen und Nutzung Kühlen 55

56 Sanergy in den Niederlanden Hans Slenders (Arcadis) Statt Einzelfallbetrachtung wird in Einthoven und Utrecht die Gesamtbelastung bewertet und ganzheitlich in Kombination mit thermischer Nutzung vermindert 56

57 GEOTHERMIEANLAGE BÜRO-UND GESCHÄFTSHAUS HAFENCITY HAMBURG 57

58 Luftbild Baugebiet 58

59 Planungsziel 120 MWh geothermische Direktkühlung 59

60 Bohrprofil und Ausbau GT1 Ruhewasserstand 60

61 Grundwassergleichen 61

62 Modellbildung 62

63 Ende 10. Heizperiode 63

64 Ende 10. Kühlperiode 64

65 Grundwassertemperaturverlauf Januar Juli März September Mai November 65

66 Aktivsonde Wasserströmung 66

67 Aktivsondenaufbau 67

68 Aktivsonde 68

69 Brunnenbohrung 69

70 Ausschachtung der Baugrube 70

71 Eindichtung in das Fundament 71

72 Einbetonierte Verrohrung 72

73 Brunnenstuben 73

74 74

75 Wärmepumpen mit Wärmerückgewinnung 75

76 Anlagenhydraulik 76

77 Wärmepumpenzentrale 77

78 Wechselwirkung thermischer Nutzung 78

79 Umweltzeichen HafenCity in Gold 79

80 Primärenergievergleich Gebäude Heizen & Kühlen JAN FEB MÄR APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ Wärmeentzug Quelle Spitzenlast Geo-En Wärme Geo-En Passivkälte Geo-En Aktivkälte in kwh x (MWh) MWh Die Ersparnis von kwh entspricht Litern Heizöl 968 MWh 80

81 Einleitung Technologie Projektbeispiel Geo-En Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Geo-En, Ihr Partner. Von der Planung bis zum Komplettsystem. Geo-En Energy Technologies GmbH Hauptstrasse 65, Berlin T: Focus 7/2009: eine neue Technologie macht geothermische Energie auch in dicht bebauten Städten nutzbar FAS Sep/2009:..sogar die Klimatisierung, sonst oft ein energetischer Sündenfall, wird mit Geothermisches sauberer Heizen Energie Geo-En und aus der Kühlen Technologie Tiefe betrieben 81

82 Primärenergieaufwand für 1 kwh Wärme Primärenergie 1,84 (Nutzungsgrad 60%) Öl-/Gasverbrennung 60-90% PEF 1,1 Heizen durch Gas- / Ölverbrennung Primärenergie 1,84 Primärenergie 1,22 (Nutzungsgrad 90%) 1 6,9 10,3 Ct / kwh für Gas / 10,5 15,6 Ct / kwh für Öl Strom-Mix D PEF 2,6, ab ,0 Heizen mit elektr. Erdwärmepumpe aktuell ab 2013 Primärenergie 0,57 Primärenergie 0,44 4,2 Ct / kwh thermisch 0,22 JAZ 4,5 1 0,78 Heizen mit Erdwärmepumpe und dezentralem Blockheizkraftwerk Gaspreis: Ölpreis Wärmepumpenstrompreis: 6,2 Ct / kwh 9,4 Ct / kwh 19 Ct / kwh Dezentrale KWK 54% thermisch 34% elektrisch Gas PEF 1,1 Primärenergie 0,53 3 Ct / kwh thermisch (ohne Subvention) 0,16 0,57 JAZ 4,5 0,26 0,

83 DEZENTRALE WÄRME-/ KÄLTEVERSORGUNG MIT NIEDERTEMPERATURNETZEN 83

84 Konzept Niedertemperaturnetz mit Wärmepumpen Netzlösung BHKW Photovoltaik Solarthermie Gasbezug Strombezug / -einspeisung Einzellösungen Strombezug 84

85 Errichtung von Niedertemperaturnetz und KWK-Zentrale 85

86 Endausbau Wärme- und Stromversorgung Langfristige Strategie Reduzierung von Strom- und Wärmebedarf durch Energieberatung und Sanierung Umstellung auf strombasierte Wärmeerzeugung mit Wärmepumpen Umweltwärmebereitstellung für die Wärmepumpen über Niedertemperaturnetz (Abwärme, Solar, Geothermie) Intelligenter Strombezug aus dem Netz ( Smart Meter ) zur Lastregulierung witterungsbedingter Stromschwankungen Stromerzeugung mit Photovoltaik Stromerzeugung mit Kraftwärmekopplung, langfristig mit Biogas und Gas aus Wind-/Solarstrom power to gas 86