Mitteltiefe Erdwärmesonde Heubach, eine Erfolgsgeschichte Schlussfolgerung aus der thermischen Modellierung des laufenden Betriebs

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1 Mitteltiefe Erdwärmesonde Heubach, eine Erfolgsgeschichte Schlussfolgerung aus der thermischen Modellierung des laufenden Betriebs 10. Tiefengeothermie-Forum Darmstadt Sarah Steiner 1,2 Zijad Lemeš 3 Bastian Welsch 1,2 Wolfram Rühaak 1,2 Kristian Bär 1 Ingo Sass 1,2 Technische Universität Darmstadt 1 Fachgebiet Angewandte Geothermie 2 Darmstädter Exzellenz-Graduiertenschule für Energiewissenschaft und Energietechnik 3 Entega AG

2 Inhalt Mitteltiefe Erdwärmesonde Heubach Projektkonsortium Objekt Geologischer Überblick Heubach Betriebserfahrungen Thermische Modellierung mit FEFLOW Ergebnisse Prognosemodellierung Betrachtungen zur Prognoseunsicherheit Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 1

3 Projektkonsortium Projektleitung: Entega AG Projektpartner: Frenger Systemen BV Heiz- und Kühltechnik GmbH (Anwendung) Viessmann Werke GmbH & Co KG (Anwendung und Optimierung Wärmepumpentechnik) H. Anger s Söhne Bohr und Brunnenbaugesellschaft mbh (Anwendung und Optimierung Bohrtechnik) Wissenschaftliche Begleitung: Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie (HLUG) (Geologie, Hydrogeologie, geothermische Parameter) Universität Kassel (Messkonzept, CO2-Bilanzierung) TU Darmstadt (geothermische u. hydraulische Parameter) Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 2

4 Das Objekt: Unternehmensgebäude der Firma FRENGER SYSTEMEN BV Heiz-& Kühltechnik GmbH Standort: Heubach bei Groß-Umstadt (Hessen) Fläche Produktion/Lager: ca m² Fläche Büroräume: ca m² Heizsystem: Niedertemperatur-Deckenheizung Anforderungen: Wärmeleistung: 140 kw (Vorlauftemperatur ca. 35 C) Quelle: HLUG Kühlleistung: 45 kw (Vorlauftemperatur ca. 17 C) Wärmeversorgung mit: 1 mitteltiefe Koaxialsonde (773 m) Wärme- und Kälteversorgung (passive Kühlung) durch: 8 oberflächennahe Doppel-U-Sonden (82 m bis 138 m) Quelle: LEMEŜ (2013) Anheben des Temperaturniveaus mittels Wärmepumpen Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 3

5 Geologischer Überblick: Heubach Überwiegend: Biotitgneis Untergeordnet: Granitoider Gneis Rhyolith Quelle: verändert nach: ALTENBERGER & BESCH 1993; ALTHERR ET. AL und REISCHMANN ET. AL Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 4

6 Betriebserfahrungen Hydraulikschema Koaxialsonde: Quelle: SASS & MIELKE (2014) Quelle: verändert, LEMEŜ (2013) Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 5

7 Betriebserfahrungen Wärmemenge Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 6

8 Betriebserfahrungen Arbeitszahl AZ = Q ab Q el Q ab: abgegebene Wärme (Heizenergie, in kwh) Q el : eingesetzte elektrische Arbeit (kwh) Monatliche Arbeitszahlen Monatliche Arbeitszahlen der Heizperiode der Heizperiode 2014/ /14 Monatliche Arbeitszahlen der Heizperiode 2014/ Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 7

9 Monatliche mittlere Fluidtemperaturen der Mitteltiefen Erdwärmesonde Heizperiode 2013 / 14 Heizperiode 2014 / 15 Okt 2014 Nov 2014 Dez 2014 Jan 2015 Feb 2015 Mrz 2015 Apr 2015 Monat Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 8

10 Thermische Modellierung mit FEFLOW Lösungsansätze: numerisch transient (AL-KHOURY ET AL. 2005) + Gute Ergebnisse, insbesondere bei kurzfristigen Lastwechseln (Taktverhalten Wärmepumpe / Umwälzpumpe) - Hoher Rechenaufwand, lange Simulationszeiten Modellierung: Verifizieren der Untergrund- und Sondenparameter Quelle: BAUER 2011 Erdwärmesonde als 1D-Linienelement in 3D-Finite-Element-Netz des Untergrunds eingebunden analytisch stationär (ESKILSON & CLAESSON 1988) + Kürzere Rechenzeiten + Geeignet für Langzeitbetrachtungen - Simulationen mit kurzfristigen Lastwechseln enthalten z.t. große Abweichungen Modellierung: Erstellen von Prognosemodellen Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 9

11 Modellentwicklung - Ablauf Eingangsdaten Untergrundparameter (GRT, Literatur, Labormessungen); Betrieb EWS (Messdaten Heubach, GRT) Modellvalidierung Numerisch-transiente Modellierungen (AL-KHOURY ET. AL 2005) Kalibriertes GRUNDMODELL Betriebsdatenaufbereitung für Langzeitbetrachtungen Methodenvalidierung analytisch stationäre Modelle (ESKILSON & CLAESSON, 1988) Prognosemodelle Betrachtungen zur Prognoseunsicherheit Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 10

12 Modellaufbau Porosität: 1 % Wassergesättigt Keine Grundwasserströmung Erdwärmesonde: Koaxialsonde Bohrlochdurchmesser: 0,216 m Sondenlänge: 773 m Validierte Untergrundparameter: Wärmeleitfähigkeit: 3 W/(m K) Volumetrische Wärmekapazität: 2,3 MJ/(m³ K) Geothermischer Gradient: 3,26 C/100 m Durchfluss: 5 l/s Zwischen den Entzugszyklen keine Umwälzung des Wärmeträgermediums Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 11

13 Ergebnis: Prognosemodelle in der 15. Heizperiode PM.01 (kalter Winter): 17,9 Basiert auf Lastgang (2010) 121 MWh/a PM.02 (warmer Winter): 13,2 10,7 12,4 13,1 Basiert auf Messwerten 52 MWh/a 10,5 7,1 7,5 Okt Nov Dez Jan Feb Mar Apr PM.01 (kalter Winter) PM.02 (warmer Winter) PM.03 (kalter Winter): Basiert auf Messwerten (unregelmäßiger Entzug) 121 MWh/a PM.03 (kalter Winter) Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 12

14 Regenerationsverhalten Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 13

15 Betrachtungen zur Prognoseunsicherheit Wärmetransportgleichung der Wärmeleitung: Mit: ρ: Dichte [kg/m 3 ] ρc T t = λ 2 T + H EWS Parametervariationen Wärmeleitfähigkeit 1,73 W/(m K) bis 3,12 W/(m K) (WELSCH, 2012) Volumetrische Wärmekapazität 1,70 MJ/(m 3 K) bis 2,36 MJ/(m 3 K) (u.a. WELSCH, 2012) Geothermischer Gradient 2,5 C/100 m bis 3,5 C/100 m Lastgang mit 55 MWh/a bis 143 MWh/a c: spezifische Wärmekapazität [J/(kg K)] λ: Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] T: Geothermischer Gradient [K/100 m] H EWS : Wärmeeintrag durch Erdwärmesonde Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 14

16 Ergebnisse: Prognoseunsicherheit Variation Wärmeleitfähigkeit Mittelwertmodell mit: 2,43 [W/(m K)] Standardeinstellungen: Vol. Wärmekapazität 2,03 MJ/(m 3 K) Geothermischer Gradient 3,26 C/100 m Lastgang mit 121,34 MWh/a Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 15

17 Abweichung der mittleren Fluidtemperatur [ C] Ergebnisse: Prognoseunsicherheit Variation Wärmeleitfähigkeit Mittelwertmodell mit: 2,43 [W/(m K)] Standardeinstellungen: Vol. Wärmekapazität 2,03 MJ/(m 3 K) Geothermischer Gradient 3,26 C/100 m Lastgang mit 121,34 MWh/a Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 16

18 Ergebnisse: Prognoseunsicherheit Übersicht Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 17

19 Zusammenfassung Kalibriertes Untergrundmodell: Wärmeleitfähigkeit: 3 W/(m K) Volumetrische Wärmekapazität: 2,3 MJ/(m³ K) Geothermischer Gradient: 3,26 C/100 m Validierte Methode zur Eingangsdatenaufbereitung für Langzeitbetrachtungen (Zyklen-Methode) Einfluss der Parameter auf die Auslegung der TEWS in Heubach größte Auswirkung (bis + 8 C) bei geringerem Wärmeentzug (warmer Winter) Untergrundparameter mit hoher Einflussstärke: Wärmeleitfähigkeit: Auswirkung pro 0,25 W/(m K) im Mittel 0,8 C Untergrundparameter mit geringer Einflussstärke: Wärmekapazität: (pro 0,25 MJ/(m 3 K) im Mittel 0,2 C) Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 18

20 Danke für die Aufmerksamkeit

21 Literatur ALTENBERGER, U. & BESCH, T. (1993): The Böllstein Odenwald: evidence for pre-to Early Variscan plate convergence in the Central European Variscides. In: Geologische Rundschau, 82 (3), ALTHERR, R., HENES-KLAIBER, U., HEGNER, E., SATIR, M., & LANGER, C. (1999). Plutonism in the Variscan Odenwald (Germany): from subduction to collision. In: International Journal of Earth Sciences, 88 (3), BAUER, D. (2011): Zur thermischen Modellierung von Erdwärmesonden und Erdsonden-Wärmespeichern. Universität Stuttgart, Dissertation LEMEŠ, Z. (2013): Erfahrungsbericht Tiefen-Erdwärmesonde Heubach. HEAG Südhessische Energie AG, 8. Tiefengeothermieforum Hessen, Darmstadt, 01. Oktober 2013 REISCHMANN, T., ANTHES, G., JAECKEL, P. & ALTENBERGER, U. (2001). Age and origin of the Böllsteiner Odenwald. In: Mineralogy and Petrology, 72 (1-3), SASS, I. & MIELKE, P. (2014) Erdwärmesonden (Geothermiesonden). In: Deutsche Gesellschaft für Geowissenschaften e.v. (Hrsg.) Empfehlung Oberflächennahe Geothermie - Planung, Bau, Betrieb und Überwachung - EA Geothermie. Ernst & Sohn Verlag, 1. Auflage, WELSCH, B. (2012): Forschungsbohrung Heubach: Untersuchungen zu den geothermischen Reservoireigenschaften des Odenwald Kristallins, Technische Universität Darmstadt, Diplomarbeit Tiefengeothermie-Forum Sarah Steiner 20