Erdwärme. Niedertemperaturwärmenutzung für Gebäude

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1 Erdwärme Niedertemperaturwärmenutzung für Gebäude 1

2 Erneuerbare Energien Solarthermie Photovoltaik Windenergie Biomasse Biogas Hackschnitzel Pellets Ohne Speicherung maximal 30% Bedarfsdeckung Hoher Flächenverbrauch für wenig Energie Nur mit Subvention rentabel Innerstädtisch ohne Bedeutung Biomasse nicht ausreichend verfügbar Hoher Platzbedarf für Pellets-Bevorratung Erneuerbare Energien 2

3 Wärmebereitstellung durch dezentrale EE in 2020 (gebäude- und nahwärmebezogen) Nur 2,26% Wärmebereitstellung durch Solarthermie und Wärmepumpen? 3

4 Erneuerbare Energien innerstädtisch? Großstädte haben derzeit kaum Nutzung von Geo- oder Solarthermie Einwohner / km² > Einwohner / km² DIW (Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung) Berlin 2010: Bundesländer-Vergleichsstudie mit Analyse der Erfolgsfaktoren für den Ausbau der Erneuerbaren Energien 2010 Erneuerbare Energien 4

5 Kühlung Kühlung gewinnt wegen des hohen Primärenergieeinsatzes an Bedeutung Hoher Strom- / Primärenergieverbrauch Dachaufbauten bilden optisch die 5 Fassade Denkmalschutz Dachflächenverbrauch Lärmbelästigung Zusätzliche Aufheizung der Stadtatmosphäre Maschinelle Kühlung demnächst unzulässig? Erdwärme 5

6 Thermodynamisch optimiertes Heizen - Exergie nutzen Verbrennung Exergieverlust 100 C BHKW-Abwärme 80 C Solarkollektoren Solarabsorber optimal 60 C 40 C Trinkwasser Raumwärme Ab- / Grundwasser 20 C Temperierung / Vorwärmung Erdsonden 0 C Außenluft -20 C Nutzung von LowEx - Umgebungswärme Erneuerbare Energien 6

7 Umweltwärme aus Luft oder Erdreich 7

8 Effizienz und Ökologie von Wärmepumpen Vergleich gilt bei einem Primärenergiefaktor von 2,6 für Elektroenergie (ENEV 2009) Jede Verbesserung des deutschen Strom-Mix verbessert diese Kennzahlen! 8

9 Arbeitszahlen im Jahresgang Je wärmer die Umweltenergiequelle und je geringer die Nutztemperatur, desto besser die Arbeitszahl 9

10 Stromerzeugung aus Wind und Sonne Biogas Feste Biomasse Photovoltaik Wind SZENARIOBERECHNUNG EINER STROM- UND WÄRMEVERSORGUNG DER REGION BRANDENBURG-BERLIN AUF BASIS ERNEUERBARER ENERGIEN Reiner Lemoine Institut ggmbh im Auftrag der Fraktion BÜNDNIS 90/DIE GRÜNEN im Brandenburger Landtag Stand

11 Lastmanagement der Erneuerbaren Energien 11

12 E-Energy-Projekt Modellstadt Mannheim Verbindung vom intelligenten Gebäude mit dem intelligenten Netz Angebot und Nachfrage regeln den Stromtarif 12

13 Grundwasser in Berlin Berlin hat einen mächtigen Grundwasserleiter der geeignet ist den gesamten Wärmebedarf der Stadt zu bevorraten 13

14 Urbane Erwärmung als Energiequelle Im Stadtzentrum Berlins ist das Grundwasser 4 Kelvin wärmer als natürlich Besiedlungsstruktur Grundwassertemperatur in 20m Tiefe 2010 Grundwassertemperatur 14

15 Mehrere Jahre Wärmeversorgung ist allein aus dem überwärmten Grundwasser möglich Hohe Wärmemenge im Untergrund Abschätzung der Wärmemenge in Megacities 15

16 Geothermiepotenzial in Berlin - Bedarfsdeckung 2020 Mit dem Erreichen dieser maximalen Heizwärmebereitstellung von GWh könnte langfristig etwa 81 % des hochgerechneten Wärmebedarfs in Berlin ( GWh/a) gedeckt werden! Abschläge: Einschränkung durch überbaute und versiegelte Flächen sowie an Unterkellerungen: 30-50% Minderung Einschränkung durch Wasserschutzgebiete und Bohrtiefenbegrenzung: 10-25% Minderung In den Gewerbegebieten (2, 13, 16, 20) würde sich wegen der hohen Nutztemperaturen der Anteil am deckbaren Gesamtwärmebedarf um etwa % verringern Insgesamt Minderung des theoretisch möglichen Potenzials um ca 40 % Gesamtwärmebereitstellung von ca 49% des hochgerechneten langfristigen Wärmebedarfs 16

17 Wohnungsbestand nach Gebäudestruktur Nur 10% der Berliner Wohnfläche im Ein- / Zweifamilienhausbereich 1,89 Mio Wohnungen verteilen sich auf Wohngebäude Aus IBB Wohnungsmarktbericht 2009 Quellle: Amt für Statistik Berlin-Brandenburg Bedarfsstruktur 17

18 Siedlungsdichte Wasserschutzgebiete In Berlin sind mehr als 70% der Trinkwassergewinnung aus Uferfiltrat Wasserschutz 18

19 Einzugsgebiet der Wasserwerke Das Zentrum Berlins liegt weitgehend außerhalb der Wasserwerkeinzugsgebiete Zone außerhalb der Wasserwerk-Einzugsgebiete Höchste Siedlungsdichte UBB Möller / BWB: Wasserversorgungskonzept für Berlin und für das von den Berliner Wasserbetrieben versorgte Umland (Entwicklung bis 2040) Wasserschutz 19

20 Erdwärme Solares Angebot: mehr als kwh pro qm Grundfläche im Jahr Oberfläche kwh Solarwärme pro qm Grundfläche im Jahr 1 Meter Grundwasserströmung Erdwärme Saisonale Speicheru ng Energiegehalt reicht für 10 Etagen 20 Meter 50 kwh Wärmebedarf pro qm Wohnfläche im Jahr 0,5 kwh Wärmeenergiezustrom pro qm Grundfläche im Jahr 99% der Erde sind wärmer als C Erdwärme 20

21 Erdwärme in dicht besiedelten Gebieten? Punktdichte Erdwärmeanlagen in Berlin Erdwärme 21

22 Erdsonden Erdsonde 8 C Temperaturgradient 0 C Sole PE Rohr Füllmittel (Bentonit) Erde Heizungssystem Temp. 35 C 35 Kelvin Watt / Meter Geothermiequelle Temp. 0 C Erdwärme 22

23 Saug - Schluckbrunnen Heizungssystem Temp. 35 C 25 Kelvin Geothermiequelle Temp. 10 C Erdwärme 23

24 Aquifer Heterogenitäten (Anisotropie) 24

25 Grundwasserzirkulation Heizungssystem Temp. 35 C 25 Kelvin Geothermiequelle Temp. 10 C Erdwärme 25

26 Integralsonde Erdwärme 26

27 Solarthermische Regeneration des Erdreichs WINTER SOMMER Erdwärme 27

28 Solarthermische Regeneration des Erdreichs WINTER SOMMER Erdwärme 28

29 Solare Regeneration mit Absorbern Hoher Erntefaktor mit unabgedeckten Absorbern aufgrund niedriger Nutztemperaturen 29

30 Regeneration mit Straßensolarabsorbern Quelle: Regenerate met asfaltzonnecollectoren Dr.ir. Arian de Bondt 30

31 Sondenfeld 104 Sonden a 110 Meter ergeben bei 50 W/m 572 kw Entzugsleistung bzw. 763 kw Wärmepumpenleistung Und unter Einhaltung der zulässigen Grenztemperaturen 572 MWh/a Heiz-/ Kühlarbeit 31

32 10 Jahre saisonale Speicherung mit Sonden 32

33 Saisonale Speicherung mit Grundwasserzirkulation 8 Grundwasserzirkulationsbrunnen 480 kw Entzugsleistung bzw. 640 kw Wärmepumpenleistung und unter Einhaltung der zulässigen Grenztemperaturen MWh/a Heiz-/ Kühlarbeit 33

34 Ausgangszustand (saniert) Gasverbrennung 10% 100% 100% 110% 6,7 Cent / kwh Gas 19 Cent / kwh elektrisch 34

35 Solare Heizungsunterstützung und Warmwasserbereitung Gasverbrennung 7% 36% 100% 64% Gas 110% 71% 6,7 Cent / kwh Gas 19 Cent / kwh elektrisch 35

36 Solare Heizungsunterstützung und Warmwasserbereitung Geothermie Gasverbrennung 3% 36% 100% 24% 40% Gas Gas & Solar 110% 71% 24% 10% 6,7 Cent / kwh Gas 19 Cent / kwh elektrisch 36

37 Solare Heizungsunterstützung und Warmwasserbereitung geosolare Regeneration Geothermie 54% 36% 100% 64% Gas 110% Gas & Solar 71% Gas & Solar & Geo 34% 16% 18% 6,7 Cent / kwh Gas 19 Cent / kwh elektrisch 37

38 Endenergiebedarf Grundfläche m² (190 x 100 Meter ) Wohnfläche m² Gesamtheizlast 1,71 MW (50 W/m²) Jahresheizarbeit MWh (80 kwh/m²) 38

39 Geothermie mit Erdsonden 1,71 MW Heizleistung erfordern 1,37 MW Entzugsleistung zu entziehen aus Sondenmetern erfordern 274 Sonden von 100 Metern Tiefe a 5 kw 274 Sonden a 100 Meter Rastermaß 6 Meter 39

40 Geothermie mit Grundwasserzirkulation 1,71 MW Heizleistung erfordern 1,37 MW Entzugsleistung Zu entziehen aus 18 Grundwasserzirkulationsbrunnen a 80m 40

41 Temperaturveränderung nach einer Heizperiode 41

42 Numerische thermohydraulische Simulation 42

43 Ablaufplan zur Errichtung einer Geothermieanlage Projektierung Projektierung Engineering Engineering Simulation Simulation Bohrung, Bohrung, Ausbau Ausbau Solarabsorber Solarabsorber Wärmepumpen Wärmepumpen Hydraulik Hydraulik MessMess- und und RegelungRegelungtechnik technik Realisierung Wartung Wartung 43

44 Betriebszustände Überblick 44

45 Primärenergievergleich Gebäude Heizen & Kühlen JAN FEB MÄR APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ Wärmeentzug Quelle Spitzenlast Geo-En Wärme Geo-En Passivkälte Geo-En Aktivkälte in kwh x (MWh) MWh Die Ersparnis von kwh entspricht Litern Heizöl jährlich 968 MWh Realisierung 45

46 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Geo-En, Ihr Partner. Von der Planung bis zum Komplettsystem. Geo-En Energy Technologies GmbH Hauptstrasse 65, Berlin T: Focus 7/2009: eine neue Technologie macht geothermische Energie auch in dicht bebauten Städten nutzbar FAS Sep/2009:..sogar die Klimatisierung, sonst oft ein energetischer Sündenfall, wird mit sauberer Energie Geo-En aus der Technologie Tiefe betrieben 46