Das Erdreich als Speicher für Solarthermie?

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1 Das Erdreich als Speicher für Solarthermie? Florian Ruesch Dipl. Phys. EPFL SPF Forschung

2 Übersicht Grundlagen Kombination von Solarwärme und Erdsonden PVT; PV Kühlung & höhere Quelltemperatur Regeneration von grossen Erdsondenfeldern Erdsondenfelder als Saisonspeichet auf hohen Temperaturniveau Auskühlung Erdreich im dicht besiedelten Raum Zusammenfassung

3 Erdsonden Aufbau Neue Entwicklungen CO2 Erdsonden Keine Pumpe Regeneration schwierig - >Pumpenlose Erdwärmesonden, Peterlunger et al. Quelle: D. Bauer; Dissertation an der Universität Stuttgard; 2011 Flexible koaxial Erdsonden Keine Hinterfüllung Grosse Querschnitte/wenig Druckverlust Isoliertes innenrohr mespeicher

4 Grundlagen: Erdreichtemperatur depth [m] temperature [ C] Jahreszeiten sind nach Tiefen >10m «nicht» mehr Durchschnittliche Lufttemperatur + DT Oberfläche Gradient: ca. 2-3 K/m M. Haller: Contribution to Handbook of Subtask C /IEA SHC Task

5 Grundlagen: Woher kommt die Erdwärme? Tiefe H = 110m Bohrlochdurchmsser d = 0.11m Leitfähigkeit l = 3.5W/(mK) Entzugsleistung q = 22W/m 1 Jahr: 96% aus Erdreich 25 Jahre: 68% aus Erdreich 1000 Jahre: 85% von Oberfläche Isotherme: T=Tamp-1 nach einer unterschiedlichen Anzahl Betriebsjahre. Quelle: P. Eskilson; Dissertation an der Universität Lund (SE);

6 Sondenautrittstemperatur in C Grundlagen: Was beeinflusst die Soletemperatur? Jahresschwankungen Entzugsleistung Bohrlochwiederstand Bodenleitfähigkeit Langzeitauskühlung: Entzugsenergie Sonden(feld)geometrie Nachbarsonden Bodenleitfähigkeit Einzelsonde 167m Betriebszeit in Jahren Standardvariante STASCH 2 simuliert in Polysun über 20 Jahre.

7 Sondenaustrittstemperatur in C Grundlagen: Was beeinflusst die Soletemperatur? Jahresschwankungen Entzugsleistung Bohrlochwiederstand Bodenleitfähigkeit Langzeitauskühlung: Entzugsenergie Sonden(feld)geometrie Nachbarsonden Bodenleitfähigkeit Einzelsonde 167m 4 Sonden 44m Betriebszeit in Jahren Standardvariante STASCH 2 simuliert in Polysun über 20 Jahre.

8 Stunden pro Jahr Grundlagen: welche Temperaturen sind möglich Mindesttemperatur: SIA 384/6 nach 50 Jahren 0/-3 C nicht unterschreiten Wassergeführt: ca. 4 C Temperaturverteilung Maximaltemperatur: Standardsonden Betriebstemperatur <40 C Dauertemperatur 20 C -> 100 Jahre Spezialsonden Betriebstemperatur <95 C Reglemente beachten: z.b Zürich >40 C Spezialbewilligung Bei Ausschreibung spezifizieren Sondeneintrittstemperatur in C Standardvariante ETH Niedrig Exergie System 1 simuliert in Polysun; 2. Betriebsjahr; Regenerationsgrad ca 90%

9 PV/T-Kollektoren: Motivation Unabgedeckte PVT: Kombination von PV-Modul und Wärmetauscher Tiefe Betriebstemperaturen Verbesserte PV Leistung

10 Erdsondenregeneration mit PVT 67 m^2 PV/T (3s) Leistung: 10 kw COP (B0/W35): mm Doppel-U (1 x 300m / 3 x 100m) l Boden = 2.8 W/mK Verbrauch: Warmwasser : 750l/Tag (47 C) Heizung: 600 m^2 (24 kwh/m^2y, 30 C) kwh kwh

11 In % im Vergleich zu Ausgangssystem Vergleich mit Ausgangssystem (im 6. Betriebsjahr) Regeneration (1 x 300 m) Regeneration (3 x 100 m) JAZ - WP Stromverbrauch (inkl. Pumpen) PV - Ertrag Stromproduktion (netto) ( bis ) ( -253 bis kwh/y) ( +329 bis +566 kwh/y) (+767 bis kwh/y)

12 Effizienz (%) Messresultate P+D Halter 3S 3 Erdsonden a 150m 28 PV/T Module WP 23.5 kw Resultate: El. Mehrertrag 2013: 3.5 % Juli: 10% (Schwimmbad) Grosse Variation/Unsicherheit (z.b. MPP; Pflanzenwuchs) Photovoltaische und solarthermische Effizienz Tag im Juli 2013 Effizienz thermische Anlage Effizienz PVT (ohne Feld4) Effizienz PV 12

13 Erdsondenregeneration mit PVT Für «kleine» Systeme mit «heutiger» Technik Ca. 5% effizientere WP Ca. 5% Mehrertrag der PV (ca 15% an «heissen Sommertagen») Stromeinsparungen durch Warmwasser Vorwärmung Je grösser das Sondenfeld desto grösser der Effekt D. Zenhäusern; Simulationen zur Systemeinbindung von PV/T Kollektoren; SPF Industrietag 2013 M Rommel et al., Application of Unglazed PVT Collectors for Domestic Hot Water Pre-heating in a Development and Testing System, Energy Procedia, Volume 48, 2014, Pages Betram, Stegmann Knudmüller, Rosinski, Wärmepumpensysteme mit unabgedeckten photovoltaischthermischen Kollektoren, Tagungsband 21 Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, OTTI, M. Bätschmann; Minimierung des Exergiebedarfs durch die Kombination von Wärmepumpen mit Erdwärmesonden und PV/T Solarkollektoren; 20Tagung des BFE Forschungsprogramms «Wärmepumpen und Kälte» 2014

14 Regeneration grosser Erdsondenfelder Wärmeabgabe (Kühlung) nur ca. 20% des Wärmeentzugs Auskühlung der Sonden Ausgleich durch PV/T Überbauungen mit grossem Wohnungsanteil Es werden Sondenfelder benötigt Langzeitauskühlung ohne Regeneration Kältebedarf < Wärmebedarf Fischer, Energiekonzept Suurstoffi Rotkreuz, Alenii Event 2014 Brücker und Vetterli, Monitoring Suurstoffi-Areal Risch/Rotkreuz - Dynamik und Optimierung eines Anergienetzes, 18. BRENET Statusseminar

15 Regeneration von Erdsondenfeldern Sprungantwort: Quelle: A Huber; Baudirektion Zürich Energie Praxis Seminare 1/

16 Beispiel: WBG Oberfeld Ostermundigen Anlage Gebäude B Erdsondenfeld, 14 Erdsonden à je 200m wasserbetrieben WP Heizung 75kW WP BWW 39kW Solaranlage 625 m2 PVT 7 Einzeldächer Elektrisch 99 kw peak Thermisch 375 kw peak

17 Weitere Beispiele (CH) SUVA Root; Ingenieurbüro P. Berchtold; unabgedeckte Kollektoren & 49 Erdsonden Salle polyvalente de Cortaillod; B. Matthey Ingénieurs-Conseils S.A.; Asphalt Kollektor & 7 Erdsonden Mehrfamilienhaus Vouvry; Energie Solaire S.A.; unabgedeckte Kollektor & 7 Erdsonden

18 Grosse Saisonspeicher hohes Temperaturniveau Erschliessung von grosser Kapazität Kein Grundwasserfluss Erdsondenfeld oben isoliert Zwischenspeicher für längere Beladungszeiten

19 Neckarsulm (D) Solare Fernwärme 50% Deckungsgrad Kollektorfeld: 5670m2 Speicher: 528 Erdsonden Direktnutzung bei T bis 65 C geplant bis 85 C Quelle: D Bauer et al.; Solar Energy 2009

20 Drake Landing Solar Community 52 Wohnungen Kollektorfeld: 2263m2 Speicher: 144 Erdsonden, 35m tief T bis 80 C 97% Solar geheizt

21 Erdreichauskühlung in Städten Einfache Abschätzung: Potenzial von 3 kwh/m 2 Erdsondennutzung (nicht regeneriert) Unterschiedliche Szenarien: kwh/m 2 Regeneration nötig

22 Potenzial in kwh/m2 Zusätzliche Auskühlung in K Tempreaturabsenkung durch Nachbarn Distanz in m Zusätzliche Auskühlung nach 50 Jahren durch «unendlich viel» Nachbarsonden in einem rechteckigen Raster angeordnet bei 1800 h mit 2 x W/m Entzugsleistung. 1.8 Bei m kwh/m 2 -> Abstand ca. 45 m -> Auskühlung ca. 1 K Bei m 1 6 kwh/m 2 -> Abstand ca. 60 m -> Auskühlung ca. 1 K kwh/m 2 -> Abstand ca. 34 m -> Auskühlung ca. 4 K kwh/m 2 -> Abstand ca. 22 m -> Auskühlung ca. 11 K m 150m 75m 250m 150m 75m 22

23 Ausblick: RegenOpt Studie, AHB Zürich Technischer und ökonomischer Vergleich von Regenerationsmethoden: Kleines MFH, Minergie, Sanierung Berücksichtigung der Auskühlung durch Nachbarn mehr Sondenmeter <-> Regeneration Rückwärmer Abgedeckter Kollektor Unabgedeckter, selektiver Kollektor Unabgedeckter, unselektiver Kollektor PV/T Kollektor Resultate:

24 Das Erdreich als Speicher? Einzelsonden Geringe Langzeit Speicherung Kühlung von PV/T Grosse Erdwärmeanlagen Kältebedarf < Wärmebedarf Regeneration nötig Saisonspeicher für solare Nah- und Fernwärme Direktnutzung mit Temperaturen bis 80 C möglich Isolation gegen oben Speicherverluste in der Grössenordnung von 50% Dichte Erdwärmenutzung (Stadt) Starke Auskühlung durch Nachbarn In Zukunft: Regeneration nötig

25 Besten Dank