Oberflächennahe Geothermie Energiemanager IHK

Transkript

1 Oberflächennahe Geothermie Energiemanager IHK Dipl.-Ing. Hans-Joachim Lohr Dipl.-Ing. Markus Sommer

2 Nutzung oberflächennaher Geothermie mit Systemen zum Heizen und Kühlen Dipl.-Ing. Hans-Joachim Lohr Dipl.-Ing. Markus Sommer

3 Beispiel Ruhr-Universität Bochum In Verbindung mit Wärmepumpen wird oberflächennahe Geothermie in der Regel zum Heizen und Kühlen von Gebäuden eingesetzt. Gewerbliche, industrielle und kommunale Neubauten bieten große Einsparmöglichkeiten und optimale Randbedingungen. Erdwärme ist ein unerschöpfliches Energiepotential im Temperaturbereich von C und steht immer zur Verfügung, unabhängig von Klima und Jahreszeit. Eine Konzept- und Projektentwicklung wird am Beispiel eines Neubaus der Ruhr-Universität Bochum gezeigt. Eine Betonkernaktivierung mit BRESPA-Klimadecken in Verbindung mit einer geothermischen Großwärmepumpen-anlage (Heizleistung von kw - Kälteleistung von 800 kw) und einer Erdsondenanlage mit 71 Erdsonden á 150 m dienen zur Heizung und Kühlung des Laborgebäudes mit einer Nutzfläche von ca m²

4 Formen der Erdwärmenutzung In dem Vortrag wird ausschließlich die Nutzung der oberflächennahen Geothermie behandelt

5 Temperaturverlauf im Erdreich Oberflächennahe Geothermie (Definition nach VDI 4640) bis zu einer Tiefe von 400 m Einflussbereiche des solaren und terrestrischen Wärmestroms auf die Temperatur im Untergrund Temperaturanstieg ca. 3 C pro 100 m Tiefe (geothermischer Gradient) Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche ca W/m² Wärmestrom aus dem Erdinneren 0,05 bis 0,12 W/m²

6 Temperaturprofil einer m Geothermiebohrung Temperaturverlauf in Rot ( C) und Temperaturgradient in Schwarz ( C/km); berechnet über ein Temperaturintervall von 10 m in der Geothermiebohrung Basel 1 Quelle: Geothermal Explorers International LTD 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 6

7 1 Wasser- und Bergrecht 2 Probe- Bohrung Geologie 3 Geothermal Response Test 10 Planung Gesamt- Anlage 9 Simulation Erdsonden- Feld Planung von Geothermischen Wärmepumpen- Anlagen 4 Temperatur- Monitoring 5 Entwurf Sondenfeld 8 Betriebs- Parameter 7 Entwurf Wärmepumpen- System 6 Gebäude- Simultion

8 Genehmigungsverfahren WHG Wasserhaushaltsgesetz BBergG Bundesberggesetz Die wesentlichen Rechtsgrundlagen für die Errichtung und den Betrieb von Erdwärmesondenanlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz (WHG), die Wassergesetze des jeweiligen Bundeslandes und das Bundesberggesetz (BBergG) in Verbindung mit dem Lagerstättengesetz

9 WHG Wasserhaushaltsgesetz Für die Genehmigungsverfahren gelten die Bestimmungen des Wasserhaushaltsgesetzes mit den jeweiligen Wassergesetzen der Länder und den entsprechenden Verwaltungs-vorschriften. Erlaubnis nach 7 (WHG) Versagung nach 6 (WHG)

10 BBergG Bundesberggesetz Gem. 3 Abs.3 Nr.2 Buchstabe b wird die Erdwärme den bergfreien Bodenschätzen zugeordnet. Ab einer Teufe > 100 m wird das BBergG angewandt. Ein bergrechtliches Verfahren ist durchzuführen. Eine Anzeige vor Durchführung der Maßnahme ist zu stellen. Betriebsplan nach 127 -Anlage

11 Einzuhaltende Anforderungen

12 Leitfäden Geothermie

13 Informationssystem des Geologischen Dienstes NRW Postleitzahl oder Stadt Straße Hausnummer

14 Standortauswahl

15 Allgemeine Informationen zum Standort Geothermische Ergiebigkeit Die geothermische Ergiebigkeit liegt bei einer betrachteten Tiefe bis 100 m im Bereich einer effizienten Nutzung Der Geologische Dienst bietet weiterführende Detailinformationen an Wasserschutzgebiete Standort liegt in keinem bestehenden Wasserschutzgebiet Genehmigungsbehörde ist die Untere Wasserbehörde des Kreises / der kreisfreien Stadt Bochum Geologie Es ist ausschließlich mit Festgestein zu rechnen Alle Bohrungen sind dem Geologischen Dienst spätestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrarbeiten anzuzeigen

16 Erweiterte Informationen: Geothermische Ergiebigkeit

17 Geothermische Ergiebigkeit am Standort

18 Erwartetes Profil

19 VDI 4640 Thermische Nutzung des Untergrundes Blatt 1 Grundlagen, Genehmigung, Umweltaspekte Blatt 2 Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen Blatt 3 Unterirdische Thermische Energiespeicher Blatt 4 Direkte Nutzung (Systeme ohne Wärmepumpe)

20 VDI 4640 Blatt 1 Grundlagen, Genehmigung, Umweltaspekte 1. Geltungsbereich 1.1 Thermische Nutzung des Untergrundes bis 400 m Tiefe 2. Abkürzungen und Definitionen 2.1 Abkürzungen ( BBergG, DIN, DVGW, FCKW, TEWI ) 2.2 Definitionen (Arbeitszahl, Leistungszahl, Heizzahl ) 3. Grundlagen 3.1 Wärmeregime im Untergrund (Wärmestrom 0,05-0,12 W/m²) 3.2 Grundsätzliches zur Anlagenauslegung 4. Erforderliche Genehmigungen 4.1 Wasserrecht (WHG Wasserhaushaltsgesetz) 4.2 Bergrecht (BBergG Bundesberggesetz) 5. Sicherheitsaspekte der Wärmepumpen Hinweis auf DIN 8901 Schutz von Erdreich, Grund- und Oberflächenwasser

21 VDI 4640 Blatt 1 6. Standortbewertung 6.1 Oberirdische Standortgegebenheiten Grundstücksgröße, Hindernisse, Vegetation 6.2 Unterirdische Standortgegebenheiten Geologischer Aufbau, thermische Nutzung Kleine Anlagen bis 30 kw Heizleistung Weitere Untersuchungen bei größeren Anlagen 7. Umweltaspekte 7.1 Primärenergiebedarf und CO2-Emissionen (Systemvergleich) 7.2 Einfluss von Wärmepumpen-Arbeitsmitteln 7.3 Auswirkungen der Thermischen Nutzung des Untergrundes 7.4 Umweltschutz bei Bohrarbeiten 8 Umweltgerechte Materialauswahl für Einbauten im Untergrund 8.1 Material für Brunnen, Erdsonden und Kollektoren 8.2 Wärmeträgermedien 8.3 Wärmepumpen mit Direktverdampfung

22 Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen VDI 4640 Blatt 2 1. Geltungsbereich 1.1 Thermische Nutzung des Untergrundes bis 400 m Tiefe 2. Abkürzungen 2.1 Abkürzungen ( BBergG, DIN, DVGW, FCKW, TEWI ) 2.2 Definitionen (Arbeitszahl, Leistungszahl, Heizzahl ) 3. Nutzung des Grundwassers mit Brunnenanlagen 3.1 Auslegung 3.2 Installation 4. Nutzung des Untergrundes mit Erdwärmekollektoren 4.1 Auslegung 4.2 Installation 5. Nutzung des Untergrundes mit Erdwärmesonden 5.1 Auslegung Kleine Anlagen, Heizleistung < 30 kw Größere Anlagen, Heizleistung > 30 KW 5.2 Installation

23 VDI 4640 Blatt 2 6. Besonderheiten von Anlagen mit Direktverdampfung 6.1 Auslegung 6.2 Installation 6.3 Inbetriebnahme 7. Besonderheiten weiterer Wärmequellen 7.1 Gründungspfähle als Wärmeübertrager 7.2 Erdberührte Betonbauteile 7.3 Kompaktkollektoren (Graben- und Spiralkollektoren) 7.4 Koaxialbrunnen 7.5 Gruben- und Tunnelwassernutzung 8. Systemeinbindung 8.1 Verteiler und Sammler 8.2 Armaturen und Pumpen 8.3 Anschlussleitungen 8.4 Dimensionierung der Anlagenkomponenten

24 VDI 4640 Blatt 2 9. Wärmenutzungsanlagen 9.1 Heizsysteme, Pufferspeicher Flächenheizungen Radiatoren und Konvektoren Pufferspeicher 9.2 Steuerung 9.3 Trinkwassererwärmung 10. Rückbau erdgekoppelter Wärmepumpenanlagen 10.1 Rückbau der Wärmepumpe 10.2 Rückbau der Wärmequellenanlage Rückbau von Grundwasserbrunnen Rückbau von Erdwärmekollektoren Rückbau von Erdwärmesonden Anhang A Zugehörige Normen, Richtlinien, Vorschriften

25 Geothermal Response Test Dem Erdreich wird eine konstante thermische Leistung zugeführt Auswertung erfolgt über Kelvin sche Linienquellentheorie

26 Messgerätschema Entlüftung Entlüftung T Gehäuseinnentemperatur T Regulierventil flex. isolierte Leitungen flex. isolierte Leitungen Pumpe Schmutzfänger Duchfluss- Impuls-Zähler T T Aussentemperatur Ausdehnungsgefäss Elektroheizstab kw (stufenlos geregelt) T Temperaturfühler Entleerung T T Bestimmung von: Wärmeleitfähigkeit im Erdreich Thermischer Bohrlochwiderstand Ungestörte Erdreichtemperatur Testsonde

27 Temperatur [ C] Messkurve von einem GRT 35 GRT-Temperaturmessreihe 100 m Sonde Messwert [ C] Rücklauf [ C] Vorlauf Mittelwert [ C]

28 Wärmeleitfähigkeit [W/mK] Auswertung nach der VDI ,0 W/mK Bewertung der Wärmeleitfähigkeit nach VDI ,5 W/mK 4,0 W/mK 3,5 W/mK 3,0 W/mK 2,5 W/mK 2,0 W/mK 1,5 W/mK 1,0 W/mK 0,5 W/mK 0,0 W/mK 1,5 W/mK 4,4 W/mK 2,2 W/mK Bewertung des Bohrprofils 100 m Sonde min max typ. Rechenwert

29 vol. spez. Wärmekapazität [MJ/m³K] Auswertung nach der VDI ,0 MJ/m³K Bewertung der volumenspezifischen Wärmekapazität nach VDI ,5 MJ/m³K 2,0 MJ/m³K 1,5 MJ/m³K 1,0 MJ/m³K 0,5 MJ/m³K 0,0 MJ/m³K 2,1 MJ/m³K 2,8 MJ/m³K 2,4 MJ/m³K Bewertung des Bohrprofils 100 m Sonde min max mittel

30 Wärmeleitfähigkeit [W/mK] GRT Messergebnisse 4 Ermittelte Wärmeleitfähigkeit aus GRT Messergebnissen einer 100 m Sonde 3,5 3 GRT eff = 2,4-2,6 W/m K 2,5 2 1,5 1 0, Rechenwert

31 Rb [K/(W/m)] Thermischer Bohrlochwiderstand 0,2 thermischer Bohrlochwiderstand einer 100 m Sonde Rb = 0,089-0,095 [K/(W/m)] 0,

32 0,0 3,1 6,3 9,4 12,5 15,6 18,8 21,9 25,0 28,1 31,3 34,4 37,5 40,6 43,8 46,9 50,0 53,1 56,3 59,4 62,5 65,6 68,8 71,9 75,0 78,1 81,3 84,4 87,5 90,6 93,8 96,9 Temperatur [ C] Analyse des Untergrundaufbaus 30 Temperaturprofilaufnahme 100 m Sonde ungest. Erdreichtemp. 1,0 h nach GRT 2,1 h nach GRT 4,0 h nach GRT

33 Wärmeleitfähigkeit [W/mK] 5 4,5 4 Ergebnisse des GRT s 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 9,2 m Sonde 23 m Sonde 100 m Sonde 9,2-23 m Sonde Wärmeleitfähigkeit nach Tabellenwerten (VDI 4640) 9,2 m Sonde 23 m Sonde 100 m Sonde 9,2-23 m Sonde minimal (VDI) 0,3 1,1 1,5 1,7 maximal (VDI) 0,8 3,3 4,4 5 typischer Rechenwert (VDI) 0,55 1,6 2,2 2,4 aus Messung 0,8 2,1 2,5 2,

34 Überprüfung während des laufenden Projektes Qualitätsüberwachung bei der Erstellung der Erdsonden

35 Wärmeleitfähigkeit [W/mK] Messergebnis aus GRT 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Ermittelte Wärmeleitfähigkeit aus GRT GRT eff = W/m K Rechenwert

36 0 m 4 m 7 m 11 m 15 m 18 m 22 m 26 m 30 m 33 m 37 m 41 m 44 m 48 m 52 m 55 m 59 m 63 m 66 m 70 m 74 m 77 m 81 m 85 m 89 m 92 m 96 m 100 m 103 m 107 m 111 m 114 m 118 m 122 m 125 m Temperatur [ C] Analyse Temperaturprofil m 25 Temperaturprofile deutlicher Grundwassereinfluss ungest. Temp. 1 h nach GRT 2 h nach GRT 3 h nach GRT 0 Teufe [m]

37 Heizen Kühlen Aktive & Freie mit Kühlen Außenluftkühler Wärmepumpe Kühlung (mit (mit Wärmeüberschuss) Wärmemangel) LUFTKÜHLER SYSTEME HEIZEN KÜHLEN WÄRMEPUMPE ERDSONDENFELD KÜHLEN aktiv Rückkühlung über Luft Heizen Kühlen Heizen und Kühlen

38 Gebäudesimulation Gebäudeenergiebilanz Heizen-Kühlen Jahresheizarbeit (Tages- oder Monatswerte kwh/mwh) Jahreskühlarbeit (Tages- oder Monatswerte kwh/mwh) Heizleistung im Auslegungspunkt (kw / MW) Kälteleistung im Auslegungspunkt (kw / MW) Systemtemperaturen Heizen-Kühlen (Wärmesenke) Systemtemperaturen Heizen-Kühlen (Wärmequelle)

39 Entwurf Wärmepumpenanlage Festlegung der Systemtechnik Heizen und Kühlen im Alternativbetrieb Heizen und Kühlen im Parallelbetrieb Nutzung der freien Kühlung Parallelbetrieb freie und aktive Kühlung Wärmeeintrag in das Erdreich bei aktiver Kühlung Einsatz von Rückkühlwerken oder Glykolkühlern Hydraulischer Abgleich zur Wärmequelle- und Wärmesenke Festlegung der Leistungsaufteilung (stufig, stufenlos) Systemtemperaturen Heizen-Kühlen, Wärmequelle Ausführung der Wärmepumpenaggregate

40 Entzugs-/Eintragarbeit [MWh] Energiebilanz Erdsondenfeld 180,000 MWh 160,000 MWh 140,000 MWh Entzugsarbeit: MWh Eintragsarbeit: 855 MWh 120,000 MWh 100,000 MWh 80,000 MWh 60,000 MWh Monatliches Profil Heizen Monatliches Profil Kühlen 40,000 MWh 20,000 MWh 0,000 MWh Monat

41 730 kw 350 kw 350 kw max. 358 kw* 350 kw 140 kw kw Energiezentrale 45/40 C 730 kw 330 kw 600 kw Energieflussdiagramm [Leistung] GEBÄUDE RLT/ UMLUFTKÜHLER Kälte NT GEBÄUDE BTA Kälte HT GEBÄUDE RLT / Stat. Heizung / BTA Wärme HT - NT 6/12 C 10/15 C 17/21 C 70/50 C 55/45 C 35/30 C HT-WÄRME (FW) HT-WÄRME (WP) NT-WÄRME (WP) ABWÄRME (Kühler) max. 930 kw ABWÄRME (Erdreich) Freie Kühlung 16/20 C- 5/2 C ERDREICH Wärmeentzug Strom 70/50 C Fernwärme INPUT *Strominput max. bei Kühlbetrieb WP KM-Betrieb 301 kw Freie Kühlung 7 kw Kältemaschine 50 kw zzgl. Hilfantriebe ENERGIEFLUSS-DIAGRAMM -Leistungsdaten [kw]- 2storeSystem heating-cooling 17/21 C 154 kw (max) 30/25 C ERDREICH Wärmeeintrag Beispiel Entwurfsplanung UNI-Bochum

42 max MWh/a MWh/a 730 MWh/a 455 MWh/a 400 MWh/a (max) 455 MWh/a 140 MWh/a MWh/a Energiezentrale 45/40 C 730 MWh/a 495 MWh/a 900 MWh/a Energieflussdiagramm [Arbeit] GEBÄUDE RLT/ UMLUFTKÜHLER Kälte NT GEBÄUDE BTA Kälte HT GEBÄUDE RLT / Stat. Heizung / BTA Wärme HT - NT 6/12 C 10/15 C 17/21 C 70/50 C 55/45 C 35/30 C HT-WÄRME (FW) HT-WÄRME (WP) NT-WÄRME (WP) ABWÄRME (Kühler) max MWh/a ABWÄRME (Erdreich) Freie Kühlung 16/20 C- 5/2 C ERDREICH Wärmeentzug Strom 70/50 C Fernwärme INPUT 17/21 C 30/25 C ERDREICH Wärmeeintrag Beispiel Entwurfsplanung UNI-Bochum ENERGIEFLUSS-DIAGRAMM -Jahresarbeit [MWh/a]- 2storeSystem heating-cooling

43 Geplantes Sondenfeld Sondenfeld 1: 41 Sonden á 150 m Sondenfeld 2: 30 Sonden á 150 m Sondenfeld insgesamt: m

44 Bohr- und Anbindearbeiten Erdsondenfeld I Lage der Erdsonden Anzahl der Erdsonden Geometrie Teufe der Erdsonden Abstand der Erdsonden

45 Bohrarbeiten UNI Bochum Erdsondenfeld I

46 70 kpa ERDSONDEN m 70 kpa Sondenfeld 1 = 5691 m / Sondenfeld 2 = 4350 m Schnittstelle frostfreie Verlegung Kälteerzeuger kw 30 kpa 30 kpa +30 C Schnittstelle +35 C Wasser-Glykol 34 Vol.% 20 kpa 20 kpa 700 kw Umluftkühler 30 kpa 30 kpa 20 kpa 20 kpa V3 Wasser-Glykol 34 Vol.% 70 C 50 C 35 C 30 C 40 kpa 40 kpa Kälte VERBRAUCHER +7 C +12 C Anlagenschemata Verbraucher kalt Hydraulikmodul kalt HYDRAULIK-MODUL kalt Zortström l V1 WT 1 Wärmepumpen +130 C +70 C P1 Wärmetauscher Fernwärme 500 kw +70 C parcus 2S P3 Hydraulikmodul warm +55 C P5 70 C 50 C Wärme VERBRAUCHER Schnittstelle +32 C Kühltürme KÜHLTURM 800 kw Verdunstungskühler KÜHLTURM 800 kw Verdunstungskühler +27 C Schnittstelle P7 +32 C Anschluss Fernkälte 400 kw 700 kw Zortström Schnittstelle 12 C 7 C Schnittstelle +21 C Freie Kühlung BTA Kaltwassersätze +17 C +12 C +7 C V2 P2 WÄRMEPUMPEN / KÄLTEMASCHINE Heizleistung QH = 910 kw (W11/W55) Kälteleistung Qo = 795 kw (W7/W35) Erdsondenfeld P4 V4 35 C 30 C P6 Verbraucher HYDRAULIK-MODUL warm Zortström l warm +20 C V5 +35 C +30 C WT 2 Wärmetauscher Rückkühlung Kühlturm kw +27 C +25 C Schnittstelle P10 P11 Kälteleistung 2 x 735 kw = kw KW 7/12 C / AL 35 C KALTWASSERSATZ luftgekühlt Verdampferbegleitheizung eingebaut KALTWASSERSATZ luftgekühlt Verdampferbegleitheizung eingebaut 110 kpa P9 WT 3 Wärmetauscher Rückkühlung Erdreich 910 kw Anlagenschema Anlage (Betrieb mit Wasser) 2StoreSystem 2S SYSTEM HEIZEN-KÜHLEN (vereinfachte Systemzeichnung) +17 C Freie Kühlung BTA +21 C Wärmetauscher Kühlung BTA Kühlturm 400 kw WT 4 P8 +16 C +19 C Vellmar, 02.Oktober 2009 FUNKTION aktiv + passiv kühlen (Rückkühlbetrieb)

47 Temperaturhub Leistungszahl ε - Arbeitszahl β Die Betriebsparameter wie: Wärmequellentemperatur, Heizwassertemperatur und Kaltwassertemperatur haben einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Anlagentechnik und bestimmen die Dimensionierung der Wärmequelle, Wärmesenke und Erzeugeranlage. Die Leistungszahl sowie die Jahresarbeitszahl werden ausschließlich durch die Systemtemperaturen und Güte der Erzeugeranlage bestimmt. tc Kondensator tv 3 K tr tse to Verdampfer tsa 3 K

48 Betonkernaktivierung Kühlen 17/20 C Arbeitszahl β > 7 Heizen 30/27 C Arbeitszahl β > 7 Arbeitszahl bei freier Kühlung β >

49 Systemskizze Klimadecke Quelle: DW-Systembau BRESPA-Klimadecken

50 Systemskizze Lüftungsdecke Quelle: DW-Systembau BRESPA-Lüftungsdecke

51 Entzugs-/Eintragsarbeit [MWh] Energiebilanz Variantenbrechnungen 180,000 MWh 160,000 MWh 140,000 MWh 120,000 MWh 100,000 MWh Entzugsarbeit 80,000 MWh 60,000 MWh Eintragsarbeit 40,000 MWh 20,000 MWh 0,000 MWh Monat

52 Übersicht der Ergebnisse 20,00 C 1200,000 MWh 1085,000 MWh 15,00 C 1000,000 MWh 855,000 MWh 800,000 MWh 10,00 C base min 2.Jahr [ C] 8,00 m 600,000 MWh base min 25.Jahr [ C] base max 2.Jahr [ C] 5,00 C 6,00 m 6,00 m 6,00 m 6,00 m 6,00 m base max 25.Jahr [ C] Abstand der EWS 400,000 MWh Jahresentzugsarbeit Jahreseintragsarbeit 0,00 C 200,000 MWh -5,00 C 0,000 MWh

53 Temperatur [ C] Temperaturentwicklungen 8,00 C minimale Temperaturen unter Grundlast 6,00 C 4,00 C 2,00 C 0,00 C ,00 C -4,00 C Betriebsjahr [a] Basis Sondenabstand Bohrlochdurchmesser + Verpr. Verpressmaterial geringere Wärmeleitfähigkeit höhere Wärmeleitfähigkeit

54 Temperatur [ C] Temperaturentwicklungen 20,00 C maximale Temperaturen unter Grundlast 18,00 C 16,00 C 14,00 C 12,00 C 10,00 C 8,00 C 6,00 C 4,00 C 2,00 C 0,00 C Betriebsjahr [a] Basis Sondenabstand Bohrlochdurchmesser + Verpr. Verpressmaterial geringere Wärmeleitfähigkeit höhere Wärmeleitfähigkeit

55 Finale Planungsprozesse Optimierung der Betriebsparameter Optimierung der Anlagentechnik Optimierung Erdsondenfeld wirtschaftlich optimiertes Gesamtsystem

56 Ergebnis GRT & GEOsim Die Kühlarbeit des Gebäudes kann zu rund x % über die Erdsonden- /Wärmepumpenanlage gedeckt werden Die benötigte Heizarbeit des Gebäudes kann zu x % über die Erdsonden- /Wärmepumpenanlage gedeckt werden Möglicher Entzug x MWh Möglicher Eintrag x MWh

57 C O N S U L T consult GmbH & Co. KG ENERGIE GEOTHEMIE Sallstraße 76 Frommershäuser Str Hannover Vellmar T T info@consult.de Dezember