Energie aus dem Untergrund

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1 Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig Leipzig University of Applied Sciences Energie aus dem Untergrund Wieviel Erdwärme lässt sich technisch nutzen? Hein, Philipp 1,2,3 ; Kolditz, Olaf 2,3 ; Bucher, Anke 1 ; Shao, Haibing 2,4 1 Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur HTWK Leipzig 2 Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ Leipzig 3 Technische Universität Dresden 4 TU Bergakademie Freiberg Fakultät Maschinenbau und Energietechnik fbme.htwk-leipzig.de

2 Oberflächennahe Geothermie Einführung Heizen Kühlen 2

3 Oberflächennahe Geothermie Einführung Erdwärme ist eine natürliche, kostenlose und regenerative Energiequelle Ungefähr ein Viertel der benötigten Wärmemenge wird durch elektrische Energie gedeckt, der Rest wird durch Erdwärme gedeckt Im Vergleich zu konventionellen Heizungen à niedriger äquivalenter CO2-Ausstoß à Betriebskosten sind abhängig von Wärmepumpe und Stromquelle 3

4 Wärmeinseln und geothermisches Potential Anthropogener Wärmeeintrag in den städtischen Untergrund durch Kanalisation, Keller, Tiefgaragen, U-Bahn, etc. à Erwärmung des Untergrundes und des Grundwassers Erhöhtes Temperaturniveau à großes geothermisches Potential à erhebliche CO2-Einsparungen möglich Unabhängig vom Standort ist die Quantifizierung der technisch nutzbaren geothermischen Energie für Energiepolitik, Genehmigungsbehörden, Bauherren etc. wichtig 4

5 Methoden Bisheriger Ansatz [1] : E=V c p ΔT à theoretisch verwertbare Wärmemenge E des Volumens V mit der Wärmekapazität c p durch Temperaturreduktion ΔT Annahmen: à gleichmäßige Temperaturreduktion/gleichmäßiger Energieentzug à 100%ige Nutzung der entzogenen Energie à Stark vereinfachte Methodik und unrealistische Annahmen führen zur Überschätzung des geothermischen Potentials 5

6 Methoden Realität: à inhomogenes Temperaturfeld durch geothermische Nutzung à inhomogene Materialeigenschaften des Untergrundes à Grundwasserströmung à Einfluss der Wärmepumpe à Komplexe Verhältnisse machen numerische Simulationen notwendig à Gekoppelte Simulation von Wärmepumpe & Erdwärmesonde sowie Grundwasserund Wärmetransport im Untergrund mit OpenGeoSys [2] 6

7 Fallstudie: Köln Vorhandene Studie sagt voraus, dass der Wärmebedarf der Stadt Köln mit ΔT = 2..6 C für 2,5 25 Jahre durch oberflächennahe Geothermie gedeckt werden kann à Und dann? Nachhaltigkeit? Hier: Numerische Simulation eines exemplarischen Beispiels [3] unter Berücksichtigung der lokalen hydrogeologischen Verhältnisse in Köln à Parametervariationen à Extrapolation auf das gesamte Stadtgebiet à Abschätzung der Betriebskosten und der äquivalenten CO2-Emissionen Szenario Einfamilienhaus: à ca kwh/a Heizbedarf à 7,2 kw Wärmepumpenleistung à 100 m Erdwärmesonde 7

8 Modell Kies Sand/Kies Grundwasser Ton/ Braunkohle Erdwärmesonde Anfangstemperatur

9 Modell 9

10 Ergebnisse 10

11 Ergebnisse Entzogene Energie im Kontrollvolumen V=a a d E= Ω ρ c p T(x,y,z,t= t 1 )dv Ω ρ c p T(x,y,z,t= t 0 )dv Äquivalente homogene Temperaturreduktion Δ T eq = ΔE/ρ c p V Konservativer Fall: à keine gegenseitige Beeinflussung benachbarter Systeme à Effizienter und nachhaltiger Betrieb der Wärmepumpe à Volumen von ca. 60 x 210 x 130 m notwendig à Temperaturstörung an den Rändern < 0,1 C à ΔT eq = 0,08 C à nur 1-4 % früherer Schätzungen 11

12 Ergebnisse ein Erdwärmepumpensystem besetzt eine Fläche von 60 x 210 m und deckt 15,2 MWh/a Wärmebedarf Innenstadt Köln: à 765 GWh/a Wärmebedarf à 145 km² Unter vollständiger Nutzung der Innenstadtfläche könnten 23% des jährlichen Wärmebedarfs gedeckt werden à ca Wärmepumpen à Keine Berücksichtigung von Bebauung, Grundwasserschutzzonen, etc. à Keine Berücksichtigung von Wärmeeinspeisung in den Untergrund sowie Wechselwirkungen à Einfamilienhausszenario 12

13 Zustand Ende installierte Wärmepumpen ca. 21 GWh Gesamtleistung à nur ca. 2,7 % des jährlichen Wärmebedarfs 13

14 Betriebskosten /kwh [4] kwh/a /a Heizöl 0, Erdgas 0, Fernwärme 0, Holzpellets 0, Wärmepumpe 0,

15 Äquivalente CO2-Emissionen kg/kwh [5] kwh/a kg/a Heizöl 0, Erdgas 0, Fernwärme 0, Holzpellets 0, WP Strommix 0, WP Ökostrom 0, WP PV 0,

16 Quellen [1] Zhu K., Blum P., Ferguson G., Balke K.-D., Bayer P., The geothermal potential of urban heat islands, Environ. Res. Lett. 5, 2010 [2] Kolditz et al., OpenGeoSys: an open-source initiative for numerical simulation of thermo-hydro-mechanical/chemical (THM/C) processes in porous media, Environ. Earth Sci. 67 (2), 2012 [3] Hein P., Zhu K., Bucher A., Kolditz O., Shao H., Technically exploitable geothermal by using Borehole Heat Exchangers: A revisit of the Cologne case, submitted to Environ. Res. Lett. [4] Bund der Energieverbaucher, [5] Fritsche U. R., Rausch L., Endbericht zur Kurzstudie: Lebenswegbezogene Emissionsdaten für Strom-und Wärmebereitstellung, Mobilitätsprozesse sowie ausgewählte Produkte für die Beschaffung in Deutschland, Öko-Institut e.v.,

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? 17