Grundlagen, Potentiale und Möglichkeiten der Oberflächennahen Geothermie

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1 Grundlagen, Potentiale und Möglichkeiten der Oberflächennahen Geothermie Dipl.-Ing. Jens-Uwe Kühl

2 H.S.W. Ingenieurbüro Gesellschaft für Energie und Umwelt mbh Gründung: 1991 in der Hansestadt Rostock (durch 2 Mitarbeiter der ehemaligen Fachabteilung Geologie des Rates des Bezirkes Rostock) Schwerpunkte zunächst: Geotechnik, Altlasten, Grundwasser,...seit 1995 erste Projekte Geothermie...seit 2005 Spezialleistung Geothermal Response Test und FEM-Untergrundsimulationen Schwerpunkte heute: Regenerative Energien, Geotechnik, Geologie, Umweltschutz u.a. komplexe Planungen in der Geothermie, geothermische Messungen, Sachverständigentätigkeit, Beteiligung an Forschungsprojekten u.s.w.

3 Was ist Geothermie? DEFINITION : Geothermische Energie (Erdwärme) Die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde. (VDI 4640 Teil 1 Thermische Nutzung des Untergrundes ) Erdwärme ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme. Sie umfasst die in der Erde gespeicherte Energie, soweit sie entzogen und genutzt werden kann, und zählt zu den regenerativen Energien. Geothermie bezeichnet sowohl die geowissenschaftliche Untersuchung der thermischen Situation als auch die ingenieurtechnische Nutzung der Erdwärme. (Wikipedia Begriff: Geothermie)

4 Erdwärme URSPRUNG: % Gravitationsenergie / Ursprungswärme % Energie aus dem radioaktiven Zerfall langlebiger Nuklide im Erdmantel (u.a. Uran, Thorium, Kalium) Bildquelle:

5 Erdwärme TEMPERATUR: Erdkruste: bis ca. 600 C Mantel: bis ca C Kern: bis ca C 99 % der Erde sind heißer als C von dem 1 % sind 99 % heißer als 100 C Bildquelle: Aufbau der Erde

6 Oberflächennahe und Tiefe Geothermie UNTERSCHIED: allgemein Oberflächennahe Geothermie = Nutzung von Energie bis 400 m Tiefe Geothermie = Nutzung von Erdwärme ab 400 m vielmehr unterschiedliche thermische und geologische Gegebenheiten in den jeweiligen Tiefenbereichen und den damit verbundenen unterschiedlichen Verfahren der Nutzung (d.h. auch unterschiedliche Anforderungen an Planung und Ausführung)

7 Temperatur im oberflächennahen Untergrund ZONEN: Solarspeicherzone (beeinflusst u.a. durch Klima, Grundwasser, Bebauung) Geosolarer Bereich (neutrale Zone) Terrestrische Zone Geothermischer Gradient Ø 3 K/100 m Bildquelle: HSW, frei nach Panteleit & Mielke, 2010

8 Temperatur im oberflächennahen Untergrund Bildquelle: Umweltatlas Berlin 2012, Grundwassertemperatur 20 m unter der Erdoberfläche

9 Temperatur im oberflächennahen Untergrund Bildquelle: Leitfaden zur Erdwärmenutzung in Hamburg, Temperatur in der Tiefe von -100 m NN

10 Temperatur im oberflächennahen Untergrund Bildquelle: Archiv H.S.W. GmbH, Temperaturmessungen in Hamburg (11,4 C), Husum (10,2 C) und Frankfurt a. Main (18,7 C)

11 Die Ressource (oberflächennahe) Erdwärme = Erdreich- und Grundwassertemperatur zwischen 8,5 und 13 C nutzbar für die Wärmeerzeugung mittels Wärmepumpe und Kältegewinnung über freie Kühlung bzw. mit reversibler Wärmepumpe

12 Erdgekoppelte Wärmepumpe (WP) Wärmepumpenkreislauf Heiz-/Kühlkreislauf geothermischer Quellenkreislauf Systeme (Kreise) müssen aufeinander abgestimmt sein!

13 Jahresarbeitszahl JAZ (Effizienz) von WP-Anlagen Verhältnis von abgegebener Wärmemenge (Heizwärme) zur zugeführten Energie (Antriebsenergie): JAZ = Q WP ab / W el zu = [kwh therm /a] / [kwh el /a] *1 Anforderungen nach EEWärmeG = JAZ 4,0 *1 25 % WP 100 % 75 % *1 bei elektrisch angetriebenen Sole-Wasser-WP/Wasser-Wasser-WP

14 Jahresarbeitszahl JAZ (Effizienz) von WP-Anlagen Verhältnis von abgegebener Wärmemenge (Heizwärme) zur zugeführten Energie (Antriebsenergie): JAZ = Q WP ab / W therm zu = [kwh therm /a] / [kwh therm /a] *1 Anforderungen nach EEWärmeG = JAZ 1,2 *1 83,3 % WP 100 % 16,7 % *1 bei Öl/Gas betriebenen Wärmepumpen

15 Jahresarbeitszahl (JAZ) Jahresarbeitszahl JAZ (Effizienz) von WP-Anlagen Abhängigkeit von den Systemtemperaturen 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 Heizungsvorlauf = 35 C Heizungsvorlauf = 55 C Sole-Eintrittstemperatur in C Bildquelle: HSW, angelehnt an Marek Miara u.a., Fachbuch Wärmepumpen

16 Geothermische Quellenanlagen offene Systeme Bildquelle: HSW Grundwasser fungiert als Wärmeträgermedium und als Wärmequelle

17 Geothermische Quellenanlagen offene Systeme: Geothermische Brunnen Bildquellen: HSW

18 Geothermische Quellenanlagen geschlossene Systeme Bildquelle: HSW Wärmeträgermittel kommt nicht in den direkten Kontakt mit dem Grundwasser oder dem Erdreich

19 Geothermische Quellenanlagen geschlossene Systeme: Erdwärmesonden horizontale hydraulische Anbindung hydraulischer Zusammenschluss mittels Rohrzusammenführung Doppel-U-Rohr mit je einem Vorlauf und einem Rücklauf Bohrlochringraumverfüllung Umlenkung am Sondenfuß Bildquellen: HSW

20 Geothermische Quellenanlagen geschlossene Systeme: Energiepfähle Bildquellen: HSW

21 Geothermische Quellenanlagen geschlossene Systeme: Erdwärmekollektoren Bildquellen: HSW

22 Geothermische Quellenanlagen geschlossene Systeme: Sonderbauformen Bildquelle: PumpenStrebe Bildquelle: Zaugg GmbH Bildquelle: Bildquelle: Wikipedia

23 Geothermische Quellenanlagen Allgemeiner Vergleich Jedes System kann standort- und projektbezogen das Beste sein!

24 Oberflächennahe Geothermie Warum den Untergrund thermisch nutzen? 1. Standortunabhängigkeit Geothermie ist nahezu überall verfüg- und nutzbar (Ausnahme: wasserwirtschaftlich sensible oder geologisch kritische Bereiche)

25 1. Standortunabhängigkeit Wasserschutzgebiete in Brandenburg: km² (ca. 4,8 % der Gesamtfläche) Bildquelle: ArcIMS Brandenburg

26 Oberflächennahe Geothermie Warum den Untergrund thermisch nutzen? 2. Kostensicherheit Geothermie ermöglicht vergleichsweise stabile Wärmegestehungskosten (künftige Preissteigerungen im Strommarkt wirken sich lediglich anteilig/prozentual auf die Betriebskosten aus)

27 Preis je kwh Wärme 2. Kostensicherheit prinzipielles Beispiel/Szenario: parallele Preissteigerungen von 4 % je Jahr Ausgangssituation: Strompreis 0,20 /kwh, Gaspreis 0,06 /kwh, JAZ 4,2 0,24 0,22 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 Geothermie Gas Jahre

28 Oberflächennahe Geothermie Warum den Untergrund thermisch nutzen? 3. Umweltfreundlichkeit Der Betrieb geothermischer Anlagen ist CO 2 -arm und bei Nutzung von regenerativ erzeugtem Strom sogar CO 2 -neutral möglich.

29 3. Umweltfreundlichkeit CO 2 - Emissionen Bildquelle: Bundesverband Wärmepumpe

30 Oberflächennahe Geothermie Warum den Untergrund thermisch nutzen? 4. Werthaltigkeit Die Lebensdauer der erdseitig installierten Anlagenkomponenten liegt zum Teil bei mehr als 70 Jahren, wodurch der Wert des Grundstückes bzw. der Immobilie nachhaltig gesteigert werden kann.

31 Oberflächennahe Geothermie Warum den Untergrund thermisch nutzen? 5. Vereinbarkeit Die gesetzlichen Anforderungen aus der EnEV und aus dem EEWärmeG werden mit der Nutzung von oberflächennaher Geothermie als regenerative Energiequelle erfüllt. (Deckungsanteil vom Gesamtwärmebedarf mindestens 50 %)

32 Oberflächennahe Geothermie Warum den Untergrund thermisch nutzen? 6. Vielseitigkeit Die Temperaturen des oberflächennahen Untergrundes können sowohl zur Wärmeversorgung, als auch für eine Gebäudekühlung genutzt werden. Und dies mit verschieden möglichen Gebäudenutzungskonzepten (u.a. Grundlastdeckung, Spitzenlastabdeckung)

33 Warum den Untergrund thermisch nutzen? 6. Vielseitigkeit

34 Praxisbeispiele / Anwendungsmöglichkeiten der Oberflächennahen Geothermie

35 Biohof Medewege bei Schwerin Heizen mittels Erdreichkollektor

36 Neubau IHK zu Schwerin Heizen und Kühlen mittels Energiepfählen

37 Silo Stadthafen Rostock Heizen und Kühlen mittels Energiepfählen

38 AIDA HOME Stadthafen Rostock Heizen und Kühlen mittels Erdwärmesonden

39 Kita Neukloster Heizen mittels Erdwärmesonden im Bestand

40 IBA-DOCK Hamburg Heizen und Kühlen mittels thermischer Nutzung des Oberflächenwassers

41 Appartementhaus Strandläufer Warnemünde Heizen und Kühlen mittels thermischer Nutzung des Oberflächen-/Grundwassers

42 1. Geothermische Brücke Deutschlands in Berkenthin Heizen und Kühlen mittels Grundwasser

43 Vielen Dank! H.S.W. Ingenieurbüro Gesellschaft für Energie und Umwelt mbh Gerhart-Hauptmann-Str. 19 D Rostock Fon: 0049(0)381/ Fax: 0049(0)381/ Internet: info@hsw-rostock.de