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1 Präsentation Erfolgsfaktoren für solare Mikrowärmenetze mit saisonaler geothermischer Wärmespeicherung GEOSOL Präsentation anlässlich des Symposiums Aktuelle Ansätze und Rahmenbedingungen zur Nutzung von Erdwärme AutorInnen: Peter Biermayr (TU-Wien) Gregor Götzl, Stefan Hoyer, Martin Fuchsluger (Geologische Bundesanstalt), Gerald Stickler und Schüler (HTL Wiener Neustadt) Ein Forschungsprojekt im Rahmen des Forschungsprogramms Sparkling Science, gefördert vom Bundesministerium für Wissenschaft und Forschung 1 Inhalt Inhalt der Präsentation: 1. Motivation und Fragestellung 2. Methode 3. Ergebnisse 4. Schlussfolgerungen 5. Nächste Schritte 2

2 Motivation Untersuchungsleitende These: Saisonale Wärmespeicherung ist die Schlüsseltechnologie für eine vollsolare Wärmeversorgung im Niedertemperaturbereich. normierter Anteil an der Jahressumme [1] Abbildung: jahreszeitliche Verschiebung zwischen Solarstrahlung und Wärmebedarf am Standort Wiener Neustadt 3 Motivation Raumwärme und Brauchwasser Status Quo und Optionen Erdöl, Erdgas, Kohle Nachhaltig produzierte und genutzte Biomasse (fest, flüssig, gasförmig) Exergiegehalt? Fernwärme Erneuerbar? Zukunft von Wärmenetzen? Tiefe Geothermie Zukunft von Wärmenetzen? Solarthermische Wärme Monovalente Systeme? Umgebungswärme Jahresarbeitszahlen? Strom Erneuerbar? 4

3 Motivation Wärmebedarf EFH in A 2010/2050 Solarthermie Winter? 2010 inkl. Brauchwasser 2050 Quelle: Müller et al., 2010, Heizen 2050, klima energie fonds, Nr Motivation Wärmebedarf EFH in A 2010/2050 Innovation: Kombination ST+WP+geoth. saisonale Speicherung GEOSOL 2010 inkl. Brauchwasser 2050 Quelle: Müller et al., 2010, Heizen 2050, klima energie fonds, Nr

4 Motivation Europäisches GEOSOL-Potenzial Q HZ+BW/a Q Sol/a Quelle Karte: PVGIS, EU (2012) 7 Methode Drei Haupt-Forschungsfragen: 1. Eignen sich geothermische Speicher für die saisonale Wärmespeicherung (langfristig, dynamisch)? 2. Was sind die technischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Erfolgsfaktoren für das GEOSOL-Modellsystem? 3. Können vielversprechende Fallstudien im Großraum Wiener Neustadt identifiziert werden (zukünftige Pilot- u. Demonstrationsanlagen)? 8

5 Methode Das GEOSOL-Modellsystem 9 Methode Wesentliche Methoden internationaler Erfahrungen Untersuchung von Fallstudien Simulation von Modellsystemen (1h/5-10a): Analytische Näherungslösungen (stationärer oder periodischer Fall) Grundsätzliche Betrachtungen Finite Volumen Simulationsprogramm (Prof. Bernd Glück, D) Comsol Multiphysics Grundsätzliche Betrachtungen Systemvergleich BTES Testlauf Sondenfeld 3D Betrachtung (erste Tests) DHI-Wasy FEFLOW 3D Betrachtung Sondenfeld Verknüpfung mit TRNSYS? 10

6 Ergebnisse: Gebäude Jahreswärmebilanz von Gebäuden Modellgebäude: Grundriss 15m x 10m Ergebnisse: Gebäude Jahresenergiebilanz Gebäude in der Praxis (nicht sanierte Gebäude) Baujahr 1900 Baujahr 1950 Baujahr 1980 Baujahr 2000 EFH: 250kWh/m 2 a EFH: 260kWh/m 2 a EFH: 180kWh/m 2 a EFH: 40kWh/m 2 a MFH:150kWh/m 2 a MFH:150kWh/m 2 a MFH: 90kWh/m 2 a MFH: 30kWh/m 2 a 12

7 Ergebnisse: Gebäude Energieeffizienz der Wärmepumpe konventionell GEOSOL Verflüssigungstemperatur [ C] Annahme: Carnotscher Gütegrad = 0,5 13 Ergebnisse-Fallstudien Muggendorf Gutenstein Quelle: Geologische Bundesanstalt Maiersdorf Ternitz Wiener Neustadt Raach am Hochgebirge 14

8 Ergebnisse Fallstudien Fallstudie Gutenstein Quelle Luftbild: Niederösterreich Atlas, Land NÖ 15 Ergebnisse Fallstudien Fallstudie Maiersdorf Quelle Luftbild: Niederösterreich Atlas, Land NÖ 16

9 Ergebnisse Fallstudien Fallstudie Maiersdorf (Bestand) Wärmebedarf/h HZ+BW alle Geb. Kollektorertrag/h =300m 2, A=45, E=30 a=185 MWh a=130 MWh 620 kwh/m 2 17 Ergebnisse Fallstudien Fallstudie Maiersdorf (Bestand) Speicherladung/h Speicherentnahme/h a=180 MWh a=125 MWh 18

10 Ergebnisse Fallstudien Erfolgsfaktor Gebäude und System ausgeglichene Wärmebilanz im Mikronetz Q HZ+BW = Q Sol Q VSp + Q WPel Mikronetz erlaubt Ausgleich von Solarpotenzial /Wärmebedarf unterschiedlicher Gebäude. Niedertemperatur-Wärmeverteilsysteme! Direkte Solarwärmenutzung für Heizung und Brauchwassererwärmung maximieren. Zentrale Wärmepumpe bei homogener Last vs. dezentrale Wärmepumpen bei inhomogener Last. keine Eignung für Passiv- u. Niedrigstenergiebereich (außer großvolumig). 19 Das Speicherverhalten im Boden - zentrale Fragestellungen: Wärmeübertragungsverhalten im Untergrund Ausbreitungsverhalten der Temperaturwelle im Untergrund, Einfluss von Grundwasser Thermische Beeinflussung des Untergrundes durch die Speicherung Thermodynamische Überlegungen zur Systemoptimierung 20

11 Systembetrachtung Wärmespeicher ANFORDERUNGEN: Möglichst hohe Speichereffizienz (Verluste 0%)! Geringer Platzbedarf Geringe Investitionskosten Flexibilität (geringe Reaktionszeiten) O m 2 m Oberflächenverluste Speicherverluste Advektion 150 m 21 Wärmeübertragungsverhalten Kann es zu Übersättigungserscheinungen kommen? Übertragungsverhalten Beladung / Entladung Fallbeispiel: Dauerhafte Beladung mit anschließender Entladung auf konstantem T-Niveau (hypothetisch) spezifische Leistung der Wärmespeicherung ca. um Faktor 2,5 höher als beim Wärmeentzug Wärmespeicherung im Jahr 1 bewirkt temporäre Leistungssteigerung im Jahr 2 22

12 Ansätze zur Effizienzsteigerung Einzelsonde (Doppel U-Rohr) Variation der Zirkulationsrate 23 Speicherwirkungsgrad Einzelsonde gering! η Sp =21% Verlust Oberfläche x T Verlust Boden ablaufende saisonale Wärmewelle x T0 z Verlust Sohle 24

13 Ansätze zur Effizienzsteigerung Multiple Sonden (Sondenfeld) Grundrissskizze r Sonden 2-3m Ansätze: Verhältnis Lade- zu Entladesonden: ca. 1:3 Optimaler Sondenabstand: ca. 2-3 Meter (materialabhängig) Hohes Potenzial in der Optimierung der Be- u. Entladestrategien Weitere Verbesserungen durch vertikale Geometrie und Isolation 25 Simulation des Untergrundes (Jahresgang eines 4-Sonden Feldes) 1. Jänner 14. März 26. Mai 7. August 19. Oktober 26

14 Simulation Speicher Fallstudie Maiersdorf (für den nicht sanierten Ausgangszustand) Simulation: 15 Sonden a 100 m Sondenabstand je 2 m 27 Fallstudie Maiersdorf: Fluidtemp. Sonden Sim. Dauer: 4 Jahre 28

15 Fallstudie Maiersdorf: Fluidtemp. Sonden 29 Simulationsergebnis Maiersdorf Film 1. Jänner 1. März 4. September 30

16 Zusammenfassung Speicher Oberflächennaher Flachkollektor ist keine Option (Oberflächenverluste). Einzel-Vertikalsonden haben hohe Verluste. Fließendes Grundwasser ist KO Kriterium. Die therm. Speicherladung ist unproblematisch, die Leistung der Entladung ist zu prüfen. Geringer Raumbedarf, Sondenabstand einzelne Meter. Starke Erwärmung des Untergrundes nur im unmittelbaren Sonden-Nahbereich Die technische Machbarkeit ist bei passenden Randbedingungen gegeben. 31 Ergebnisse Wirtschaftlichkeit Wirtschaftlichkeit statisch 4 Gebäude, A BGF =850m 2, P HL =38kW, Q tot =71 MWh therm /a Position Einheit GEOSOL dezentraleöl ZH Wärmenetz (100m) Invest Euro Wärmepumpe (60 kw) Invest Euro Solarthermie (100m 2 ) Invest Euro Sonden (4x120m) Invest Euro Ölkessel (4 Stk.) Invest Euro Öltanks (4 Stk.) Invest Euro Stromkosten (WP, P netz., Brenner) Euro/a Ölkosten Euro/a Investitionen total Betriebskosten pro Jahr /a Gesamtkosten pro Jahr (20a) /a Spez. Wärmepreis pro MWh /MWh 96,0 127,3 Achtung: Strompreis (130 /MWh EE ) u. Heizölpreis (83 /MWh EE ), jeweils exkl. Ust., als konstant angenommen! 32

17 Schlussfolgerungen Schlussfolgerungen Die technisch-wirtschaftliche Machbarkeit des GEOSOL-Systems ist bei geeigneten Konstellationen gegeben. Bei zwei untersuchten GEOSOL-Fallstudien wird die Umsetzung von Pilot- und Demonstrationsanlagen zur empirischen Verifizierung der Forschungsergebnisse empfohlen. Der Umsetzung sollten wissenschaftliche Planungsstudien vorangehen, in denen das Gesamtsystem simuliert wird und Projektrisiken u.a. durch Probebohrungen ausgeschlossen werden. 33 GEOSOL Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dr. Peter Biermayr, TU-Wien, Informationen im Web: oder 34

18 Speicherverhalten Boden Ausbreitung Temperaturwelle Periodische Temperatursignale haben eine kürzere Reichweite als aperiodische Signale Ausgeglichene energetische Bilanz im Untergrunde sollte Ziel sein GEOSOL System: aperiodische Anteile = Verluste Ausbreitung einer Temperaturfront nach 180 Tagen Fließgeschwindigkeit (m/tag) Mächtigkeit GW Körper (m) ,00 1,00 2,00 3,00 Bedingung Ausbreitungslänge nach 180 Tagen < 20 m nicht 4,00 erfüllt! 5,00 6,00 Abstand der Temperaturwelle nach 180 Tagen [m] Aperiodisches Signal ,1 Gesteinstypen Grundwasser Temperaturleitfähigkeit [10-7 m/s] Periodisches Signal 35