Erfahrungen aus dem Betrieb der solaren Nahwärmeversorgung mit saisonalem Erdsonden-Wärmespeicher in Crailsheim. Konzeption und Planung

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1 www w.itw.un ni-stuttga art.de Erfahrungen aus dem Betrieb der solaren Nahwärmeversorgung mit saisonalem Erdsonden-Wärmespeicher in Crailsheim g der Systemkomponenten, y p, Fragen g der Harmonisierung Konzeption und Planung Der Geothermiekongress 2014 Workshop W3 Wärmespeicherung in oberflächennahen und mitteltiefen Erdwärmesonden Dan Bauer U i Universität iä S Stuttgart (ITW) Pfaffenwaldring Stuttgart 1 Der Geothermiekongress 2014, Workshop W3, E Mail: bauer@itw.uni bauer@itw.uni-stuttgart.de stuttgart.de

2 Solare Nahwärmeversorgung mit saisonaler Wärmespeicherung Gebäudekomplexe oder kleine Siedlungen werden zu einem Nahwärmenetz zusammengeschlossen große, zentrale Kollektorfelder und häufig saisonale Wärmespeicherung 2 Der Geothermiekongress 2014, Workshop W3,

3 Friedrichshafen (1996) Hamburg (1996) Hamburg (2010) www w.itw.un ni-stuttga art.de IGS, Uni Braunschweig Neckarsulm (1998) Rostock (1999) Steinfurt (1999) Chemnitz (2000) Hannover (2000) Attenkirchen (2002) ZAE Bayern TU Chemnitz Crailsheim (2006) München (2007) Eggenstein (2009) SOLITES 3 Der Geothermiekongress 2014, Workshop W3,

4 Beispiel: Solare Nahwärme in Crailsheim Umnutzung eines ehemaligen Kasernengeländes; damals größtes Konversionsgebiet Baden-Württembergs Ziel: CO 2 -Reduktion von 50 % im Vergleich zum damals vorgeschriebenen Baustandard solar unterstütztes tüt t Nahwärmesystem mit ca m 2 Sonnenkollektoren kt & saisonalem Erdsonden-Wärmespeicher wirtschaftlichste Lösung Versorgung g einer entstehenden Wohnsiedlung (ca. 470 Wohneinheiten, Schule, Sporthalle) mit einem Gesamtwärmebedarf von ca MWh/a mit 50 % Solarwärme und Reduktion des jährlichen CO 2 -Ausstoßes um 780 t/a. 4 Der Geothermiekongress 2014, Workshop W3,

5 Projekt Crailsheim Sanierungsgebiet Neubausiedlung Erdsonden- Wärmespeicher Sonnen- kollektoren kt 5 Der Geothermiekongress 2014, Workshop W3,

6 Ed Erdsonden-Wärmespeicher d 4,50 Gipskeuper www w.itw.un ni-stuttga art.de Ø30 m 3 m Verbindungsstelle 22,40 Lettenkeuper Anbindung Heizzentrale Oberer Muschelkalk 92,00 Sonde innerer Kreis Sonde innerer 100,00 Sonde Kreis äußerer Kreis Sonde äußerer Kreis 6 Der Geothermiekongress 2014, Workshop W3, Mittlerer Muschelkalk

7 Energiekonzept 7 Der Geothermiekongress 2014, Workshop W3,

8 Energiebilanz der solaren Nahwärmeversorgung Crailsheim i Wä ärmemenge e bzw. Strom in MWh/M onat 1000 Stagnationsvermeidung 900 Wärmebedarf Netz Hirtenwiesen Nachheizung per Fernwärme Strom Wärmepumpe 700 Solare Vorwärmung 600 Kollektorertrag gesamt Bilanzjahr Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 8 Der Geothermiekongress 2014, Workshop W3,

9 Energiebilanz des Erdsonden-Wärmespeichers d Monat Wärmemen nge in MWh/ Messtechnikausfall Beladewärmemenge Entladewärmemenge Temperatur Speichermitte) Start Wärmepumpenbetrieb p Temp peratur in C C Jan 10 Jul 10 Jan 11 Jul 11 Jan 12 Jul 12 Jan 13 Jul Der Geothermiekongress 2014, Workshop W3,

10 Temperaturen in der Speichermitte itt 10 Der Geothermiekongress 2014, Workshop W3,

11 Messdaten Wärmepumpe 11 Der Geothermiekongress 2014, Workshop W3,

12 Einbindung der Wärmepumpe (1) Einbindung der Wärmepumpe zum Aufheizen eins Pufferspeichers erfordert intelligente Regelung, sonst exergetisch ineffizient (schlechter COP). Problem: Regelung der Kondensator-Austrittstemperatur auf Vorlauftemperatur des Nahwärmenetzes bei zu großer Wärmelast. Folge: Ungewollte Rücklaufbeimischung im Pufferspeicher; Nutzen der WP fraglich. 70 C 50 C 90 C Lösung: 10 m 3 Mischzone /h 30 m 3 /h 30 m 3 /h Leistungsabhängige kondensatorseitige Volumenstromregelung; Angleich der Volumenströme 50 C Wärmequelle 40 C Wärmepumpe 40 C 10 m 3 /h 40 C 20 m 3 /h Pufferspeicher Wärmelast 70 C 60 m 3 /h 40 C 30 m 3 /h Nachheizung 40 C 30 m 3 /h 12 Der Geothermiekongress 2014, Workshop W3,

13 Einbindung der Wärmepumpe mit Pufferspeicher als Wärmequelle, welcher durch den Erdsonden Wärmespeicher und Solarkollektoren in Konkurrenz beladen wird Erdsonden-Wärmespeicher wird. Problem: Pufferspeicher wird ((fast)) ausschließlich durch Solarkollektoren beladen. ErdsondenWärmespeicher wird kaum entladen. Leistung in kw www w.itw.un ni-stuttga art.de Ei bi d Einbindung der d Wärmepumpe Wä (2) Lösung: stärkere Wärmepumpe? Größere Übertragungsleistung des ErdsondenWärmespeichers durch mehr Sonden? Kondensator WP konventionelle Nachheizung 1200 Wärmelast Nahwärmenetz Solarkollektoren 1000 Entladung BTES Feb Feb Feb Feb. 14 Der Geothermiekongress 2014, Workshop W3, Feb Feb Feb Feb. 14

14 Auslegung des Erdsonden-Wärmespeichers d Volumen nach Energiemenge auslegen! Sondenanzahl nach erforderlicher Übertragungsleistung auslegen! Hierzu kleines T zwischen Sondenfluid und Untergrund berücksichtigen, sonst sind Exergievernichtung und geringe nutzbare Speicherkapazität die Folgen! Entladung: Hochtemperatur-Wärmepumpe kann nur über ca. 20 C verdampferseitig arbeiten. Folge: Untergrund kann nur bis ca. 30 C entladen werden. Ab 40 C sinkt Entladeleistung auf (zu) niedriges Niveau, wegen zu geringer Sondenanzahl. Beladung: Maximale Sondeneintrittstemperatur wurde auf Empfehlung des Herstellers gegenüber Planung (80 C) auf 70 C reduziert. Folge: Untergrund kann nur bis ca. 60 C beladen werden. Beladeleistung im Sommer zu gering. Stagnation der Solarkollektoren; Solarwärme kann nicht genutzt t werden. 14 Der Geothermiekongress 2014, Workshop W3,

15 Ausblick: Reduktion der Größe zukünftiger Anlagen zwecks größerem Multiplikatoreffekt Projekt 1zu10 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dan Bauer Universität Stuttgart (ITW) Pfaffenwaldring 6 bauer@itw.uni-stuttgart.de Stuttgart 15 Der Geothermiekongress 2014, Workshop W3,