Wärmewende welchen Beitrag kann die Geothermie leisten?

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1 Wärmewende welchen Beitrag kann die Geothermie leisten? Reinhard Kirsch, Claudia Thomsen Geologischer Dienst Schleswig-Holstein

2 Wärmewende welchen Beitrag kann die Geothermie leisten? oberflächennahe Geothermie mitteltiefe Erdwärmesonde Wärmespeicher im Untergrund Tiefengeothermie, hydrothermale Geothermie

3 Raumwärme und Warmwasserbereitung sind auf dem Energiemarkt fast so bedeutend wie der Verkehr

4 Wärmemarkt wird z.zt. noch von Erdgas und Öl dominiert Ziel: möglichst weitgehender Ersatz fossiler Energieträger auf dem Wärmemarkt durch regenerative Energie Geothermie Wirtschaftsdienst 2012

5 es geht um: oberflächennahe Geothermie mitteltiefe Geothermie saisonale Wärmespeicher im Untergrund hydrothermale Geothermie zur Versorgung von: Einzelhäusern Gebäudekomplexen Wärmenetzen

6 Oberflächennahe Geothermie: Erdwärmesondenanlagen in Schleswig-Holstein

7 Erdwärmesondenanlagen in Schleswig-Holstein jährlicher Zuwachs

8 Oberflächennahe Geothermie: Komponenten einer Erdwärmeheizung Wärmepumpe m Erdwärmesonden: Wärmetauscher im Untergrund, Flüssigkeitskreislauf in der Sonde, ΔT Vorlauf/Rücklauf ca. 5 C

9 Wärmepumpe als Stromverbraucher: Effizienz wird quantifiziert durch die Leistungszahl, COP (coefficient of performence). z.b. COP = 4

10 CO 2 Effizienz der Wärmepumpe Heizöl: Erdgas: elektrische Energie: 266 g CO 2 /kwh 206 g CO 2 /kwh 586 g CO 2 /kwh bei COP = 4: Wärmepumpe: 147 g CO 2 /kwh dazu der Strom für die Umwälzpumpe in der Erdwärmesonde Erdwärme: ca. 170 g CO 2 /kwh CO 2 Bilanz einer Erdwärmeheizung bessert sich, wenn mehr Strom regenerativ erzeugt wird

11 CO 2 Effizienz der Wärmepumpe COP wieviel kwh Wärme bekommt man für 1 kwh Strom eigentlich interessanter: wieviele kwh Strom werden benötigt, um eine kwh Wärme zu gewinnen

12 CO 2 Effizienz der Wärmepumpe im COP Bereich 3 5 effektive CO2 Einsparung durch COP Erhöhung Erdgas

13 unser Ziel: Steigerung der Energieeffizienz durch Steigerung des COP Heizung Wärmetauscher ΔT 4 C Vorlauf: warme Sole aus dem Untergrund Rücklauf: abgekühlte Sole zurück in den Untergrund

14 Vorlauftemperatur der Heizung C Wärmetauscher ΔT 4 C 8 C 4 C Quelle: Wärmepumpen Testzentrum Schweiz

15 unser Ziel: Steigerung der Energieeffizienz durch Steigerung des COP Vorlauftemperatur der Heizung muss möglichst niedrig sein Probleme bei älteren Bestandsbauten Soletemperatur muss möglichst hoch sein Untergrundstruktur ist wichtig für die Dimensionierung der Erdwärmesonden

16 die Soletemperatur hängt u.a. von der Heizlast, der Länge der Erdwärmesonde(n) und der Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes ab Heizlast ist vorgegeben

17 und die Wärmeleitfähigkeit hängt ab vom Aufbau des Untergrundes. mittlere Wärmeleitfähigkeiten (VDI 4640) Sand: 2,4 W/(mK) Geschiebemergel: 2,4 W/(mK) Ton: 1,7 W/(mK) trockenes Material: 0,4 W/(mK) zum Vergleich: Granit: 3,4 W/(mK)

18 der Untergrundaufbau in Schleswig Holstein kann kompliziert sein Sand Geschiebemergel wir schaffen Beratungsgrundlagen, damit die Erdwärmesonden ausreichend dimensioniert werden können.

19 in Arbeit: landesweite Karte der effektiven Wärmeleitfähigkeit mit Zugriffsmöglichkeit per Internet als Planungsgrundlage zur Dimensionierung von Erdwärmesonden Datenbasis: Schichtenaufbau nach Bohrergebnissen, Grundwasser -flurabstand, Wärmeleitfähigkeit des Untergrundmaterials

20 Zur Erhöhung der Energieeffizienz: warum bohrt man nicht sehr viel tiefer und nutzt den Temperaturanstieg mit der Tiefe (ca. 3 Grad / 100 m) aus? neuer Trend: mitteltiefe Geothermie

21 bei der mitteltiefen Geothermie geht es um den Tiefenbereich von knapp unter 1000 m, der noch mit moderaten Bohrkosten erreicht werden kann Bohrkosten Fritsche et al. (2011): Erdwärmesonde Heubach. Bieberacher Geothermietag

22 mitteltiefe Erdwärmesonde, Projekt Heubach (Hessen) Untergrundparameter 900 m Wärmeleitfähigkeit 2,5 W/mK Wärmekapazität 2,3 MJ/m³K Temperatur an der Erdoberfläche 11 C Geothermischer Gradient 3,5 K/100m Koaxialsonde: Durchflussrate 15 m 3 /h Wärmeleistung max. 60 kw 130 MWh/a mittlere Wassertemperatur bei Betrieb: 6,8 C hoher COP der Wärmepumpe Bohrkosten: ca gleiche Leistung mit 10 Erdwärmesonden a 90 m -2,7 C 20 Erdwärmesonden a 90 m 3,0 C Fritsche et al. (2011): Erdwärmesonde Heubach. Bieberacher Geothermietag

23 mitteltiefe Erdwärmesonde 900 m Mitteltiefe Erdwärmesonde höhere Investitionen als bei oberflächennaher Geothermie, aber auch höhere Soletemperatur höhere Heizungstemperaturen bei vernünftigem COP erreichbar Option für Bestandsbauten?? Forschungsaspekt: mitteltiefe Erdwärmesonde in einer oberflächennahen Salzstruktur, hohe Wärmeleitfähigkeit von Steinsalz hohe Effektivität der Sonde??

24 saisonale Wärmespeicher Erhöhung der Energieeffizienz Einsatz von Energiepfählen/Erdwärmesonden zur Raumklimatisierung: * Heizen * Kühlen * Wärmespeicher bei Einkaufszentren: Nutzung der Abwärme der Kühlaggregate Hellmann 2003

25 Beispiel FAMILA Markt Kiel - Wik 15 Erdwärmesonden a 55 m 107 thermisch aktivierte Gründungspfähle Howe 2013

26 die CO 2 Emission für die Raumklimatisierung beträgt nur 48% eines vergleichbaren konventionellen FAMILA Marktes Howe 2013

27 saisonale Wärmespeicher mit Nutzung von Solarenergie Nahwärmenetz Solarkollektoren Erdsondenspeicher

28 Beispiel Braedstrup DK 18,600 m² Solarkollektoren

29 Beispiel Braedstrup DK Untergrundspeicher: 48 Erdwärmesonden a 45 m Isolierschicht aus Muschelschalen Geschiebemergelkomplex als geologischer Wärmespeicher, kein Kontakt zum Grundwasserleiter

30 Beispiel Braedstrup DK Elektrisch betriebene Kompressor Wärmepumpe 1.2 MWheat

31 Beispiel Braedstrup DK Wärmepumpe

32 Mai Okt Bericht zur Bauausführung Braedstrup Temperatur im Speicher bis 60 C. Das ist nur möglich, da keine grundwasserführenden Schichten im Speicherbereich sind. Bei uns darf Grundwasser dauerhaft auf maximal 20 C erwärmt werden (kurzfristig auf 25 C).

33 Zusammengefasst: oberflächennahe Geothermie und Wärmespeicher Oberflächennahe Geothermie kann einen wichtigen Beitrag zur Ablösung fossiler Energieträger auf dem Wärmemarkt liefern. Voraussetzung ist eine hoher Energieeffektivität der Wärmepumpe. Hierzu müssen die Erdwärmesonden optimal ausgelegt sein, d.h. unter Berücksichtigung der Untergrundverhältnisse. Die Beratung und Erstellung von Planungsgrundlagen hierfür ist eine Aufgabe der Geologischen Dienste. Neue Möglichkeiten einer effektiven Wärmeversorgung liefert die saisonale Wärmespeicherung im Untergrund. Auch hierfür ist eine gründliche Erkundung der Untergrundverhältnisse erforderlich..

34 Tiefengeothermie, speziell hydrothermale Geothermie Thermalwasser (z.b. 70 C in 2000 m Tiefe) wird aus tiefen wasserführenden Schichten gefördert und zur Wärmeversorgung genutzt. Nach Abkühlung wird es wieder in den Förderhorizont verbracht

35 Tiefengeothermie, speziell hydrothermale Geothermie Die typische Wärmeleistung einer hydrothermalen Anlage liegt bei 6 10 MW. Ist die Thermalwassertemperatur für eine Nutzung im Fernwärmenetz nicht ausreichend, wird auch hier mit Wärmepumpen gearbeitet.

36 Tiefengeothermie, speziell hydrothermale Geothermie Schema einer Absorptionswärmepumpe, die Temperaturen orientieren sich am Geothermiekraftwerk Amager/Kopenhagen

37 Eine hydrothermale Nutzung stellt besondere Anforderungen an den Untergrund. In m Tiefe muss poröses oder geklüftetes Gestein wie z.b. Sandstein vorkommen.

38 geothermisch nutzbare Sandsteinhorizonte im Nordeuropäischen Becken der Rest: Kreide, Tonstein, Salz die interessanten Horizonte das Tiefenwasser ist hochgradig versalzen!!

39 Die Lagerungsverhältnisse im Untergrund können kompliziert sein, daher ist eine sorgfältige Vorerkundung (z.b. Seismik) erforderlich. Hier z.b. Dogger und Rhät- Sandstein im Raum Kiel.

40 Im INTERREG Projekt GeoPower wurden für den Raum Südjütland/Schleswig die verfügbaren Untergrundinformationen genutzt, um verbesserte Planungsgrundlagen für Projekte zur Nutzung hydrothermaler Geothermie zu erstellen. Projektpartner waren GEUS, der geologische Dienst für Dänemark und Grönland Universität Aarhus, Institut für Geowissenschaften Schleswig-Holstein Universität Kiel, Institut für Geowissenschaften. Das Projekt wurde von der Europäischen Union teilfinanziert.

41 Ein Projektergebnis sind Verbreitungs-, Tiefen- und Mächtigkeitskarten der hydrothermalen Reservoirformationen Dogger, Rhät/Gassum und Buntsandstein, hier z.b. die Tiefe der Basis Buntsandstein. Hese 2014, Offermann 2015

42 Basis Buntsandstein im Raum Husum in m Tiefe, also C man könnte über eine geothermische Nutzung nachdenken Hese 2014, Offermann 2015

43 Die GeoPower Projektergebnisse sind im Internet oder als Projektbroschüre verfügbar. Interesse?

44 Zusammengefasst: hydrothermale Geothermie Hydrothermale Geothermie liefert je nach Tiefenlage des Förderhorizontes Thermalwassertemperaturen von C. Typische Wärmeleistungen liegen im Bereich 6 10 MW, ausreichend für den Betrieb oder die Unterstützung eines Nahwärmenetzes. Bei nicht ausreichender Thermalwassertemperatur kann eine Wärmepumpe eingesetzt werden (Absorptionswärmepumpe, z.b. in Verbindung mit Müll- oder Biomasseverbrennung). Hydrothermale Reservoirformationen im Untergrund sind Sandsteine, allerdings mit ungleichmäßiger Verbreitung, Tiefenlage und Mächtigkeit. Für die Region Südjütland/Schleswig sind im Rahmen des Interreg-Projektes GeoPower Karten der Reservoirformationen als Planungsgrundlage erstellt worden. Ausblick: in der Region gibt es bereits eine hydrothermale Heizzentrale in Sønderborg, in Tønder herrscht starkes Interesse. Wir hoffen, dass Schleswig- Holstein dabei bald mitzieht.