Möglichkeiten der geothermischen Nutzung der Tiefbohrung»Herz- und Kreislaufzentrum Rotenburg«

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1 Möglichkeiten der geothermischen Nutzung der Tiefbohrung»Herz- und Kreislaufzentrum Rotenburg«11. Tiefengeothermie-Forum Darmstadt Bastian Welsch 1,2 Jan Weber 1 Kristian Bär 1 Wolfram Rühaak 1,2 Daniel O. Schulte 1,2 Johann-Gerhard Fritsche 3 Ingo Sass 1,2 1 TU Darmstadt - Fachgebiet Angewandte Geothermie 2 TU Darmstadt - Darmstädter Exzellenz- Graduiertenschule für Energiewissenschaft und Energietechnik 3 Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie

2 Ausgangssituation Die Tiefbohrung Rotenburg HKZ 1001 wurde von 1995 bis 1996 im Auftrag des Herz- und Kreislaufzentrums (HKZ) in Rotenburg a. d. Fulda abgeteuft. Ursprüngliches Ziel: Nutzung des Thermalwassers zu balneologischen Zwecken Unerwartet geringe Förderraten (ca. 0,33 l/s) Keine Nutzung im ursprünglich geplanten Rahmen möglich 500 m ESRI (2016) & Hessisches Kultusministerium (1999) 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 2

3 Geologie 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 3

4 Ausbau - Bestand 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 4

5 Studie zur Nachnutzung der Bohrung Konzeptstudie von Fritz Technik (2012) zur Nachnutzung: 1) Verbesserung der Schüttung Vertiefen der Bohrung / Sidetrack Unwirtschaftlich, geringe Erfolgswahrscheinlichkeit Stimulation der Bohrung Umfangreiche Sicherungsmaßnahmen nötig, unwirtschaftlich, ungeeignete geologische Verhältnisse (Tonsteine) 2) Balneologisch-medizinische Nutzung Heilwassernutzung fraglich (Überschreiten verschiedener Geringfügigkeitsschwellenwerte) 3) Verfüllung der Bohrung Kaufmännische Rückstellungen müssten aufgelöst werden 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 5

6 Studie zur Nachnutzung der Bohrung 4) Nutzung der Bohrung als tiefe Erdwärmesonde zur Teilabdeckung der Heizlast des HKZ Fündigkeitsrisiko entfällt Mineralwasserentnahme und aufbereitung entfällt Spezifische Entzugsleistung ist zu bestimmen Wirtschaftlichkeit ist nachzuweisen Masterarbeit an der TU Da: Numerische Simulation & Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 6

7 Ausbauvarianten zur Erdwärmesonde Flache Variante Tiefe Variante 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 7

8 Aufbau eines volldiskretisierten 3D-Modells (FEFLOW) Gebirge Zementierung Stahlrohre Wassergefüllter Ringspalt Innenrohr Sondenfluid 20 cm 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 8

9 Parametrisierung des Modells Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] Eigene Messwerte / Literaturwerte 1300 m Definition geothermischer Homogenbereiche Umrechnung der Kennwerte auf Reservoirbedingungen 500 m 500 m 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 9

10 Simulationsbedingungen Technische Anforderungen: Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf beträgt 4 C (ohne Berücksichtigung des Optimierungspotenzials Wärmepumpe) Minimaltemperatur des Fluides im Sondenkreislauf darf 4 C nicht unterschreiten Simulationen: 30 Jahre Dauerbetrieb der Erdwärmesonde bei konstanter Entzugsleistung Schrittweise Steigerung der Entzugsleistung durch Steigerung der Flussrate 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 10

11 Simulationsergebnisse Tiefe Sonde Vorgegebene Entzugsleistung 92,4 kw Minimale Fluidtemperatur 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 11

12 Minimale Fluidtemperatur 57 kw 96 kw 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 12

13 Grundlagen Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Abschätzung der Investitionskosten Flache Sonde: Tiefe Sonde: Rückverfüllung: Derzeitige Versorgungslage am HKZ: Wärme- und Stromversorgung des HKZ über 2 BHKWs (Wärmeabdeckung 100 %, Stromabdeckung ca. 85 %) Weitere Szenarian Kosten Netzstrom Effektiver Strompreis HKZ 20,94 ct/kwh 7,63 ct/kwh WP-Tarif 16 ct/kwh Kosten BHKW-Wärme Vorlauftemperatur Wärmenetz 75 C 5,04 ct/kwh saniert: 35 C oder 55 C 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 13

14 Wirkungsgradbestimmung (COP) Mittelwert über 30 Betriebsjahre Vorlauftemperatur 35 C 55 C 75 C 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 14

15 Elektrische Leistung der Umwälzpumpe 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 15

16 Sensitivität des Wärmepreises Flache Sonde Tiefe Sonde Aktueller Wärmepreis 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 16

17 Wärmepreis Erdwärmesonde Mittelwert über 30 Betriebsjahre Betrieb mit Netzstrom (20,94 ct/kwh) Vorlauftemperatur 75 C 55 C Aktueller Wärmepreis 35 C 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 17

18 Wärmepreis Erdwärmesonde Mittelwert über 30 Betriebsjahre Vorlauftemperatur: 75 C Strompreis 20,94 ct/kwh 16 ct/kwh Aktueller Wärmepreis 7,63 ct/kwh 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 18

19 Wärmepreis Erdwärmesonde Netzstrom Mittelwert über 30 Betriebsjahre Flacher Ausbau Entzugsleistung 33,6 kw WP-Tarif BHKW- Strom Aktueller Wärmepreis 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 19

20 Zusammenfassung Durch Ausbau zur Erdwärmesonde ist die Bereitstellung von bis zu 750 MWh/a (flacher Ausbau, 5,7 % des Gesamtverbrauchs) 1300 MWh/a (tiefer Ausbau, 9,9 % des Gesamtverbrauchs) an Wärme für das HKZ möglich. 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 20

21 Fazit Mit einer energetischen Sanierung des HKZ ist der Ausbau der Bohrung zur Erdwärmesonde wirtschaftlich. Nötige Schritte: Absenkung der Vorlauftemperatur im Rahmen der energetischen Sanierung Berücksichtigung der Investitionskosten für nötige Sanierung der BHKWs beim Vergleich der Wärmepreise Berücksichtigung eines Wärmepumpentarifs für den Betrieb der Sonde verbessert die Wirtschaftlichkeit 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? Literatur: Esri, National Geographic, DeLorme, HERE, UNEP-WCMC, USGS, NASA, ESA, METI, NRCAN, GEBCO, NOAA & increment P Corp. (2016): GIS Base Map. Fritz Technik GmbH & Co. KG (2012): Studie zur Nutzung der Tiefenbohrung Rotenburg HKZ 1001 in Rotenburg an der Fulda. (unveröff.), 33 S.; Bad Urach. Hessisches Kultusministerium (1999): Verfassung des Landes Hessen und Grundgesetz für die Bundesrepublik Deutschland. Hessisches Kultusministerium, 322 S.; Wiesbaden. 11. Tiefengeothermie-Forum Bastian Welsch Fachgebiet Angewandte Geothermie 22

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