SKEWS (Solargekoppelter kristalliner Erdwärmesondenspeicher): Wärmespeicherprojekt der TU Darmstadt am Campus Lichtwiese

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1 SKEWS (Solargekoppelter kristalliner Erdwärmesondenspeicher): Wärmespeicherprojekt der TU Darmstadt am Campus Lichtwiese Forschungsvorhaben im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung Prof. Dr. Ingo Sass 1, 2 Dr. Kristian Bär 2 Daniel Schulte 1, 2 Bastian Welsch 1, 2 Julian Formhals 2 Dipl.-Ing. Wolfgang Hornich 3 Dr. Sebastian Homuth 3 1 Darmstädter Exzellenz-Graduiertenschule für Energiewissenschaft und Energietechnik 2 Fachgebiet Angewandte Geothermie 3 Züblin Spezialtiefbau GmbH TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 1

2 Ausgangslage Mehr als 80 % des Endenergiebedarfs dt. Haushalte entfällt auf Wärme Großes Einsparpotential Auch großes Potential für erneuerbare Energien? Endenergieverbrauch deutscher Haushalte (2012) Beleuchtung: 2% sonstiges: 0% Elektrogeräte: 4% Kälte: 4% Kochen: 6% Warmwasser: 15% Raumwärme: 69% AGEB 2013 TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 2

3 Ausgangslage Mehr als 80 % des Endenergiebedarfs dt. Haushalte entfällt auf Wärme Großes Einsparpotential Auch großes Potential für erneuerbare Energien? Anteil erneuerbarer Wärmequellen bei ~ 14 % Fossile Brennstoffe immer noch wichtigste Energiequelle Kohle 2% Fernwärme 8% Bereitgestellte Wärme deutscher Haushalte(2012) Erneuerbar 14% Mineralöl 23% Strom 11% Erdgas 42% AGEB 2013 TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 3

4 Ausgangslage Mehr als 80 % des Endenergiebedarfs dt. Haushalte entfällt auf Wärme Großes Einsparpotential Auch großes Potential für erneuerbare Energien? Anteil erneuerbarer Wärmequellen bei ~ 14 % Fossile Brennstoffe immer noch wichtigste Energiequelle Klimaschutzziele zur CO 2 - Emissionsreduktion Handlungsbedarf Kohle 2% Fernwärme 8% Erneuerbar 14% Strom 11% Bereitgestellte Wärme deutscher Haushalte(2012) Mineralöl 23% Erdgas 42% AGEB 2013 TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 4

5 Vorteil saisonaler Wärmespeicherung Sommer: Erzeugungspotential übersteigt Bedarf Winter: Bedarf übersteigt Erzeugungspotential Saisonale Wärmespeicherung kann Versatz von überschussiger Wärmeerzeugung und Wärmebedarf kompensieren Einstrahlung Wärmebedarf Überschusserzeugung Solar nicht-gedeckter Bedarf Solar gedeckter Bedarf TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 5

6 Oberflächennahe Erdwärmesondenspeicher Oberflächennaher EWS-Speicher Lockergestein Grundwasserleiter Viele Sonden i.d.r. < 100 m Festgestein EWS = Erdwärmesonde TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 6

7 Oberflächennahe Erdwärmesondenspeicher Oberflächennaher EWS-Speicher Thermische Beeinträchtigung Lockergestein Grundwasserleiter Viele Sonden i.d.r. < 100 m Festgestein TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 7

8 Mitteltiefen Erdwärmesondenspeicher Oberflächennaher EWS-Speicher Mitteltiefer EWS-Speicher Geringerer Platzbedarf Lockergestein Grundwasserleiter Viele Sonden i.d.r. < 100 m Festgestein Wenige Sonden >> 100 m TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 8

9 Mitteltiefen Erdwärmesondenspeicher Oberflächennaher EWS-Speicher Mitteltiefer EWS-Speicher Geringerer Platzbedarf Viele Sonden i.d.r. < 100 m Thermische Isolierung Wenige Sonden >> 100 m Vernachlässigbare thermische Beeinträchtigung Geringe hydraulische Durchlässigkeiten Konduktiver Wärmetransport vorherrschend Geringer konvektiver Wärmeverlust TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 9

10 Schema mitteltiefer Erdsonden zur Wärmespeicherung Koaxiale EWS Vorlauftemperatur: C Rücklauftemperatur: C Bohrtiefe: Einspeicherung 200 bis m Thermische Isolation von Aquiferen nötig Entzug Koaxiale EWS Vorlauftemperatur: C Rücklauftemperatur: C Bohrtiefe: 200 bis m Thermische Isolierung von Aquiferen nötig TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 10

11 Mitteltiefe Erdwärmesondenspeicher: Forschung FG Angewandte Geothermie EWSS Crailsheim Nachweis der Systemtauglichkeit flacher Erdwärmesondenspeicher MHTEWSS Analytische Berechnung, Haustechnik, Bohrtechnik, numerisches 3D-Modell FiF-Projekt Interagierendes Simulationsmodell Gebäude - Speicher TEWS Heubach Bohrungsausbau mitteltiefer EWS im kristallinen Untergrund, Numerische Modellierung des laufenden Betriebs ETOH Dimensionierung, Optimierung und Validierung von Planungsund Bemessungskennwerten Mitteltiefe EWS-Anlage Stock-Resort Praktischer Speicherbetrieb, messtechnische Begleitung, Forschungsbohrung pneumatischer Imlochhammer TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 11

12 Numerische Parameterstudie Sondenabstand 5 m, 30. Betriebsjahr Größer ist effizienter! TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 12

13 Numerische Parameterstudie 37 Sonden, 30. Betriebsjahr Speichernutzungsgrad Spez. Entzugsleistung [W/m] Anstieg des Speichernutzungsgrades mit der Sondenlänge Speichernutzungsgrad und mittlere spezifische Entzugsleistung zeigen ein Maximum bei einem optimalen Sondenabstand von 5 m TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 13

14 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Ohne Solarthermie Mit Solarthermie Solarthermie spart CO 2 Ist aber teurer Speicherung von Wärme aus Nahwärmenetz steigert BHKW-Effizienz TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 14

15 Mathematische Optimierung einzelner Designparameter Modellierung einer 400 m Doppel-U-Rohr EWS, 30 Tage mit 20 kw Wärmeentzug bei 0.5 l/s Isolierung des Bohrlochs durch geringwärmeleitfähige Hinterfüllung im oberen Bohrlochabschnitt Isolierung erhöht die Rücklauftemperatur und den Wärmeentzug Verringert die thermische Beeinflussung des flachen Untergrundes Die optimale Länge der Isolationsstrecke soll bestimmt werden TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 19

16 Optimierungsergebnis Optimale Länge der Isolationsstrecke nach nur 15 Iterationen bestimmt Eine zu lange Isolierungsstrecke verringert die Leistung Rücklauftemperatur wird durch optimierte Isolierung um 1,7 C erhöht Theoretischer maximaler Wirkungsgrad (COP) um 5 % von 8.97 auf 9.44 erhöht TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 19

17 Integrierte Modellierung von Erdwärmesondenspeichersystemen Heizungsanlage und Gebäudetechnik Beinhaltet eine Vielzahl von Komponenten (z.b. Gebäude, Solarkollektoren, Wärmepumpe, Wärmenetze) Kann mit Hilfe modularer Software zur transienten Simulation der Einzelkomponenten modelliert werden (z.b. MATLAB-Simulink, TRNSYS, SimulationX) Erdwärmesondenspeicher Besteht aus vielen thermisch miteinander interagierenden EWS Kann mit Hilfe finiter element software zur Wärmetransportmodellierung simuliert werden (z.b. FEFLOW, OpenGeoSys, BASIMO 1 ) ( 1 Schulte et al. 2016) TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 17

18 Gekoppelte Simulation Testmodell Modell des Heizsystems Modell des Speichers TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 18

19 Gekoppelte Simulation Ergebnisse April 2014 TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 19

20 TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 20

21 SKEWS Ziele des Vorhabens Demonstrationsprojekt für einen mitteltiefen Erdwärmesondenspeicher. Wesentliche Aspekte des Projekts sind: Einbindung mitteltiefer (750 m) Untergrundwärmespeicher in (lokale) Wärmenetze zur Verbesserung der Systemeffizienz Entwicklung verbesserter geothermischer Speicherkonzepte für die Wärmeversorgung von Gebäuden Anwendung des hydraulischen Imlochhammer-Bohrverfahrens als innovatives und wirtschaftliches Bohrverfahren Es wird der Nachweis erwartet, dass solche Systeme in größerem Maßstab unter betriebswirtschaftlichen Rahmenbedingungen errichtet und betrieben werden können. Dazu gehört die messtechnische Validierung der gekoppelten Modellierungen und der Bemessungskennwerte für entsprechende Großspeicheranlagen. TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 21

22 SKEWS Konzept am Projektstandort - Speicherbetrieb Nahwärmenetz Beladung des Speichers Wärme vom Nahwärmenetz bzw. Blockheizkraftwerk am Campus Lichtwiese Einspeicherung mit variablen und konstanten Temperaturen (Bereich: C) MT-EWS-Speicher TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 22

23 SKEWS Konzept am Projektstandort - Entzugsbetrieb Entladung des Speichers Kühlung mit Wärmepumpen Wärmepumpen Entladung mit konstanter Entzugsleistung MT-EWS-Speicher TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 23

24 Technische Ausführung Komponenten des Systems 4 Erdwärmesonden je 750 m tief Wärmepumpe und Regelungstechnik Wärmenetzanschlüsse Wissenschaftliches Messprogramm: 3 Messstellen (ca. 100 m) Messtechnik in allen Systemkomponenten Nachnutzung ist geplant: Vergrößerung auf Campusmaßstab für effizienten Speicherbetrieb Nachnutzung zur Heizwärmeversorgung als reine Erdwärmesonden Potentieller Standort TU Campus Lichtwiese TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 24

25 Wärmebedarf [MWh] Rückkühlung [MWh] Temperatur [ C] Temperatur [ C Ziele des wissenschaftlichen Messprogramms 20 Monitoring der Experimente durch Temperatur- und Durchflussmessungen Validierung der gekoppelten numerischen Simulationsergebnisse Wärmebedarf der Betriebsszenarien und -zyklen Temperatur [ C] G R Speichertestbetrieb 0 T G R Speichertestbetrieb 10 G R 0 Speichertestbetrieb T Testbetrieb 0 T Zeitraum Sondenvorlauf Sondenvorlauf Zeitraum ZeitraumSondenvorlauf Sondenrücklauf Sondenrücklauf Rückkühlbedarf der Betriebszyklen Sondenrü CXA, 4 l/s CXA, 0,5 l/s CXC, 0,5 l/s Betriebsszenario CXA, 4 l/s CXA, 0,5 l/s CXC, 0,5 l/s Betriebsszenario GRT 1. Zyklus 2. Zyklus 3. Zyklus 1. Zyklus 2. Zyklus 3. Zyklus TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 25

26 Projektpartner und Kooperationen Konsortialführer Fachgebiet Angewandte Geothermie Institut für Angewandte Geowissenschaften Technische Universität Darmstadt Projektpartner Züblin Spezialtiefbau Ges.m.b.H. Assoziierte Projektpartner Fachgebiet Massivbau Technische Universität Darmstadt Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie Untere Wasserbehörde, Regierungspräsidium Darmstadt (UW-RPDA) Bergaufsicht Bergsicherheit, Regierungspräsidium Darmstadt (BA-RPDA) TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 26

27 Weitere Schritte TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 27

28 Wir danken für die Förderung und Unterstützung Das Projekt Simulation und Evaluierung von Kopplungs- und Speicherkonzepten regenerativer Energieformen zur Heizwärmeversorgung (HA-Projekt-Nr.: 375/13-14) wird im Rahmen von Hessen ModellProjekte aus Mitteln der Energietechnologieoffensive Hessen Projektförderung in den Bereichen Energieerzeugung, Energiespeicherung, Energietransport und Energieeffizienz gefördert. Darüber hinaus besteht eine Förderung des Projektes Reduzierung des Gebäudewärmebedarfs mittels geothermischer Speicher - Entwicklung eines interagierenden Simulationsmodells über die Förderinitiative Interdisziplinäre Forschung an der TU Darmstadt. Finanzielle Unterstützung besteht durch die DFG Exzellenz Initiative, Darmstädter Exzellenz-Graduiertenschule für Energiewissenschaft und Energietechnik (GSC 1070). TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass 28