Erschließungstiefe < 400m: Oberflächennahe Geothermie > 400m: Tiefe Geothermie
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- Artur Kalb
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1 SophienHofAbende Geothermie in der multivalenten Gebäudeversorgung David Kuntz, Simone Walker-Hertkorn, Markus Kübert tewag GmbH
2 Geothermische Erschließung Brunnenanlagen/ Grundwasser Erdsonden Thermalwasser Erdkollektoren Hot Dry Rock Grubenwassernutzung 99% > C Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der festen Oberfläche der Erde Erschließungstiefe < 400m: Oberflächennahe Geothermie > 400m: Tiefe Geothermie
3 Energietransport, Quellen & Senken im Untergrund ~ 135 W/m² (Jahresmittel) Biologie Zerfall ~ 0,08 W/m²
4 Wie Tief? Wärme & Kälte Temperaturniveaus zwischen 0 C 16 C Wärmenutzung über Wärmepumpen (WP) Erdwärmesonden ( m) Brunnen (10 30 m) Wärme & Strom Temperaturniveaus zwischen 30 C 160 C Wärmenutzung über WP oder direkt Erdwärmesonden ( m) Brunnen / Doubletten ( m)
5 Offene Wärmegewinnung W - Brunnen Foto: Reber, Flein
6 Geschlossene Wärmetauscher W - Sonden Tiefe Erdwärmesonde Wärmetauscher Schnitt A-A Flache Doppel-U-Erdwärmesonde Errichtungskosten ~40 60 /m A A Zementation Steigrohr Liner / Casing Koaxialsonde Koaxiale Tiefe-ErdWärme-Sonde Errichtungskosten ~ /m
7 Grundlegender WärmetransportW Offenes System, direkte Förderung des Wärmeträgers aus der Formation 10 C 20 C Wärmetausch im Zielhorizont, Thermische Leistung P th = Q & c p δt???? 30 C 35 C 40 C Fördertemperatur ± Temperatur des Zielhorizontes
8 Potential offener Systeme Nutztemperatur 30m: ~11 C Nutztemperatur 800m: ~30-50 C Leistung konstant (hoch) Leistung abhängig von formationsbedingter Förderrate und möglicher Temperaturabsenkung ( Gebäuderücklauf) Alterung & Wartung Fündigkeitsrisiko bei tiefen Bohrungen
9 Grundlegender WärmetransportW Geschlossenes System, Zirkulation des Wärmeträgers im Bohrlochkanal 50m 450m 10 C 20 C 25 C Wärmetausch über gesamte nicht-isolierte Bohrlochlänge P th Q & c p δt Fördertemperatur ± Vertikale Mitteltemperatur der Wärmetauscherstrecke Rücklauf Vorlauf 1200m 30 C Leistung abhängig von: 2000m 40 C - Länge des Wärmetauschers - Bohrlochausbau - Gebirgseigenschaften - zulässige Abkühlung
10 Wärmeentzug in Erdwärmesonden rmesonden Ein Beispiel für m Annahme homogener Untergrund, kein Grundwasser. OF-Temperatur 10 C, Temperatur in Zieltiefe m ~ 40 C. Koaxiale Sonde, keine Isolation. Temperatur Wärmeträgermedium 10 C 16 C Mittlere vertikale Temperatur ~ 25 C Arbeitstemperatur der Sonde bei lastfreier Zirkulation im Bereich 25 C. Zur Wärmegewinnung muss ein lateraler Wärmestrom erzeugt werden Temperaturgefälle erforderlich! Rücklauf Vorlauf Arbeitstemperatur der Sonde abhängig von aktueller Entzugsleistung, Länge des Wärmetauschers (hier m), Gebirgs- & Sondeneigenschaften. Temperatur sinkt im Betrieb bis stationärer Wärmestrom erreicht ist! Annahme Betrieb mit 6K Spreizung am Sondenkopf zur Wärmeentnahme. Annahme 12K Abkühlung der Sonde für erforderlichen Temperaturgradienten bei angelegter Entzugsleistung. Sondenbetrieb bei VL16 C, RL 10 C.
11 Wärmeentzug in Erdwärmesonden rmesonden Ein Beispiel für 100 m Annahme homogener Untergrund, kein Grundwasser. OF-Temperatur 9,5 C, Temperatur in Zieltiefe 100 m ~ 12,5 C. Doppel-U-Sonde. Temperatur Wärmeträgermedium 1 C 5 C Mittlere vertikale Temperatur ~ 11 C Arbeitstemperatur der Sonde bei lastfreier Zirkulation im Bereich 11 C. Zur Wärmegewinnung muss ein lateraler Wärmestrom erzeugt werden Temperaturgefälle erforderlich! Rücklauf Vorlauf Arbeitstemperatur der Sonde abhängig von aktueller Entzugsleistung, Länge des Wärmetauschers (hier 100 m), Gebirgs- & Sondeneigenschaften. Temperatur sinkt im Betrieb bis stationärer Wärmestrom erreicht ist! Annahme Betrieb mit 4K Spreizung am Sondenkopf zur Wärmeentnahme. Annahme 8K Abkühlung der Sonde für erforderlichen Temperaturgradienten bei angelegter Entzugsleistung. Sondenbetrieb bei VL5 C, RL 1 C.
12 Potential geschlossener Systeme Nutztemperatur 100 m: ~0-8 C Nutztemperatur m: ~12-25 C Leistung variabel (30 80 W/m) Leistung abhängig von Vorbelastung, Temperaturniveau ( Gebäuderücklauf) & Wärmetauscherfläche Keine Alterung & Wartung Kein Fündigkeitsrisiko
13 Geschlossen vs. Offen Leistungsprognose oberflächennah einfach, tiefe Systeme wegen unbekannter hydrogeologischer Situation meist ungewiss Einbindung in Versorgungskonzept aufgrund nahezu konstanter Leistung und Temperatur einfach Wartung & Betrieb anspruchsvoll Leistungsprognose aufgrund des komplexen Wärmetransportes im Untergrund stets anspruchsvoll Einbindung in Versorgungskonzept anspruchsvoll da Leistung und Nutztemperatur variabel ( etwas einfacher oberflächennah über Wärmepumpe) System nahezu wartungsfrei, kein Fündigkeitsrisiko
14 Gesetzliche Grundlagen - Bundesberggesetz (BBergG) - Wasserhaushaltsgesetz (WHG) - Wassergesetze der Länder L (WG) - Verordnungen zum Schutz von Anlagen zur Gewinnung von Trink- und Heilwasser (TrinkwV( TrinkwV) - Verwaltungsvorschriften für r die Festsetzung von Wasserschutzgebieten - Richtlinien für r Heilquellenschutzgebiete der LAWA - Merkblatt für f r die Erteilung von Ausnahmezulassungen in Wasser- und Heilquellenschutzgebieten - Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen (VAwS( VAwS) - Anforderungen an Erdwärmepumpen, rmepumpen, Beschluss der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) - Leitfaden Erdwärmenutzung rmenutzung der jeweiligen Bundesländer nder - Technische Regelwerke (DIN-Normen, Normen, DVGW-Regelwerke, VDI-Richtlinien ("allgemein anerkannte Regeln der Technik")
15 Gesetzliche Grundlagen Sondenbohrungen bis 100 m Tiefe Sondenbohrungen größer 100 m Tiefe Wasserrechtliches Zusätzliche Prüfung Verfahren auf bergrechtliche Betriebsplanpflicht, ggf. bergrechtliches Verfahren
16 Geothermie im Versorgungskonzept Einbindung von geothermischer Wärme / Kälte K in technische Versorgungskonzepte von Gebäuden - Erdwärmesonden rmesonden -
17 Temperaturentwicklung im Betrieb von Erdwärmesonden rmesonden Überlagerung eines kurzfristigen & langfristigen Faktors: Temperatur im Betriebszyklus (Stunden Tage) = Temperaturabsenkung im Wärmeträgermedium zur Einstellung des Lastabhängigen [kw] Temperaturgradienten zur Bohrlochwand. Mediumstemperatur [ C] Betrieb Betrieb Regenerierung Regenerierung Umgebungstemperatur der Sonde (Monate - Jahre) = Die aus dem langfristigen Wärmeentzug [MWh] resultierende Auskühlung des Reservoirs. Sondenumgebung [ C] Betriebsjahre
18 Thermische Eigenschaften von Erdwärmesonden rmesonden Sonde muss für Wärmeentzug kälter sein als Umgebung niedrigere Nutztemperatur als im ungestörten Boden Wärmestrom im Untergrund träge niedrige Leistung & Lange Laufzeit Bei einseitigem Wärmeentzug / Wärmeeintrag ändert sich die Temperatur des Untergrundes langfristig Systemprognose über Jahre erforderlich für langfristige Betriebssicherheit! Erdwärmesonden schlecht geeignet für Spitzenlasten, gut geeignet für Grundlast auf niedriger Leistung.
19 Flache Erdwärmesonden rmesonden Thermisches Potential flacher Erdwärmesondenfelder rmesondenfelder Wärmeentzugsleistung: W/m Wärmeentzugsarbeit: kwh/m pro Jahr
20 Erdgekoppelte WärmepumpenanlageW elektrische Energie Verdichter Saugleitung (Arbeitsmedium gasförmig) Druckleitung Vorlauf Heizwärme Umweltwärme Verdampfer Expansionsventil Verflüssiger Rücklauf Einspritzleitung Flüssigkeitsleitung (Arbeitsmedium flüssig) Mehrere Komponenten müssen eine Einheit bilden
21 Planungsziel: Wirtschaftlichkeit / Effizienter Betrieb Wärmequellentemperatur - Richtige Auslegung - Berücksichtigung aller Einflussfaktoren - Fachgerechtes Errichten - Hydraulisch Einregulieren - Heizen & Kühlen (Regeneration) -... Vorlauftemperatur - Exakte Heizlastberechnung - Abschätzung / Berechnung der Jahresheizenergie - Niedertemperatur System / sinnvolles Heizkonzept - Hydraulischer Abgleich -... Regelung Wärmepumpe - Heizkurve - Elektroheizstab ggf. sinnvoll einsetzen - Nutzung der Regelungstechnik
22 Dimensionierung Erdwärmesondenanlage rmesondenanlage Ziele: Festlegung von Anzahl, Tiefe, Anordnung und Konfiguration der Sonden Simulation der zeitlichen Temperaturentwicklung des Wärmeträgermediums Einhaltung der Temperaturvorgaben der VDI 4640 Blatt 2 (bspw. ± 11 K im Grundlastbetrieb) Werkzeuge: Analytische/semianalytische Modelle (Earth Energy Designer, PILESIM, etc.) Numerische Modelle (SHEMAT, MT3D, etc.) Temperatur Sole [ C] Temperaturvorgabe VDI Zeitlicher Temperaturverlauf des in den Sonden zirkulierenden Wärmeträgermediums: 11.5 ungestörte Untergrundtemperatur GW-Flow direction 11 Betriebsdauer [Monate] Borehole heat exchangers
23 Dimensionierung Erdwärmesondenanlage rmesondenanlage Klima (Jahresdurchschnittstemperaturen) Anforderung Heizen + Kühlen (Heiz- und Kühllast, Energiebedarf des Gebäudes) Geometrische Gegebenheiten (Platzverhältnisse für Wärmequelle, Entfernungen zur Wärmepumpe) Eigenschaften des Wärmeträgermediums Geothermische und hydrogeologische Parameter (thermische Leitfähigkeit, Wärmekapazität, Grundwasserfluss) Thermischer Bohrloch Widerstand (Bohrdurchmesser, Ausbaumaterial,...)
24 Optimierung von Erdwärmesondenfeldern rmesondenfeldern Sondenkonfiguration/- abstand geschlossenes Rechteck offenes Rechteck L-Konfiguration Kosten und Hydraulik sind ebenfalls zu berücksichtigen Gesamtbohrmeter Laufzeit Wärmepumpe h/a m m m geschllossenes Rechteck offenes Rechteck L-Konfiguration Geschlossene Rechteckanordnung Heizen/Kühlen h Regeneration des Feldes durch Kühlung Gesamtbohrmeter Laufzeit WP h h h 1750 ohne Kühlung mit Kühlung Jahresheizenergie [MWh]
25 Thermal Response Test Standortspezifische Bestimmung geothermischer Parameter effektive Wärmeleitfähigkeit λ [W/(m K)] thermischer Bohrlochwiderstand R b [(m K)/W] mittlere Temperatur des ungestörten Untergrundes [ C] Bestimmung von spezifischen Entzugsleistungen ist mit dem TRT nicht (direkt) möglich!!!! Hierfür ist eine Planung erforderlich!! - Die Messung erfolgt an einer vollständig ausgebauten Erdwärmesonde (Messdauer ca. 72 h) - Kontrollierte Zufuhr von Wärme in den Untergrund durch Aufheizung des Wärmeträgermediums - Messung der zeitlichen Temperaturentwicklung im Wärmeträgermedium - Interpretation des Kurvenverlauf mit Hilfe eines Modells Temperatur [ C] Zeit [h]
26 Beispiele für f r Versorgungskonzepte Sinnvolle Versorgungskonzepte Heizen oder Kühlen, multivalente Grundlastdeckung Heizen und Kühlen, saisonale Energiespeicherung Kopplung mit Solarthermie Sinn oder Unsinn?
27 Zentrale Grundlast für f r ein heißes Nahwärmenetz Effizienz von Rücklauftemperatur des Gesamtnetzes abhängig! Quelle: LEA - Ludwigsburger Energieagentur
28 Zentrale Wärmequelle W für f r ein kaltes Nahwärmenetz Wärmeerzeugung dezentral Gas BHKW oder Heizkessel zur Spitzenlastsicherung Quelle: LEA - Ludwigsburger Energieagentur
29 Heizen & Kühlen K Energiespeicherung Kälteverbraucher Solarthermie Rückkühlung Wärmeverbraucher Kälte- Speicher Wärme- Speicher Wärmepumpe Erdwärmesonden
30 Tiefe Erdwärmesonden rmesonden Thermisches Potential tiefer Erdwärmesonden rmesonden (TEWS) Wärmeentzugsleistung: W/m Wärmeentzugsarbeit: kwh/m pro Jahr
31 Ziele der Potentialabschätzung tzung Gewinnbare thermische Bruttoleistung [kw] Gewinnbare Brutto-Wärmemenge [MWh] Bereitstellungstemperatur [ C] Zur Gewinnung erforderlicher Energieaufwand in Leistung [kw] und Arbeit [MWh] sowie die Form der erforderlichen Energie (z.b. elektrisch)
32 Druckverlust in TEWS (Beispiel Urach 3+4) Druckverlust [bar] Prognostizierte Druckverluste, 7 Urach Ausbau, 3, 2000m Sonde m Sonde 10 m³/h 20 m³/h 30 m³/h 40 m³/h 50 m³/h 0 2 1/2'' 3'' 4'' 5'' Produktions Tubing (Steigleitung GFK 2000 psi) Druckverlust [bar] Prognostizierte Druckverluste, 9 Urach 5/8 Ausbau, 4, 2000m Sonde m Sonde 10 m³/h 20 m³/h 30 m³/h 40 m³/h 50 m³/h Mit freundlicher Genehmigung der EnBW Energie Baden-Württemberg AG 0 2 1/2'' 3'' 4'' 5'' 6'' Produktions Tubing (Steigleitung GFK 2000 psi)
33 Thermische Leistung vs. Pumpenleistung Beispiel: TEWS Oberbayern, 7 Ausbau <> 9 5/8 Ausbau Indirekte Nutzung über Wärmepumpe Temperaturspreizung T = 4 K Temperaturgradient: 2,8 K/100 m, T VL,min = 10,0 C Leistung [kw] Pumpen-Leistung WP elektrische Leistung Verdampferleistung schmal breit schmal breit schmal breit 1200 m 2000 m 3000 m
34 Mögliche Ausbaualternativen (Steigleitung) Kunststoff Preiswert Gute Isolationswirkung Begrenzte thermische Beständigkeit Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen begrenzt Wenig Erfahrung im Einbau (bei größeren Tiefen) Stahl Teuer Gute Isolationswirkung nur wenn doppelwandig (evakuiert) Hohe thermische Beständigkeit Zugfestigkeit auch bei hohen Temperaturen gegeben Routinemäßiges Handling GFK PP Doppelwandiger Stahl
35 Vergleich Ausbaumaterial Beispiel Urach 4, 1500 m, 4 Ausbau Vergleich GFK Einwandiger Stahl Einhaltung der gesetzten Temperaturgrenzen erfordert höhere Spreizung bei drastisch gesenkter Entzugsleistung: GFK Stahl Pumprate [m³/h] Entzugsleistung [kw] Wärmearbeit [MWh/a] Wärmeleitfähigkeit [W/m K] Interner thermischer Widerstand Vor- / Rücklauf [m K/W] Temperaturminimum GFK ~ 0,4 0, C Leistungsverlust: ~ 45% Stahl ~ 50 0, C
36 Indirekte / Direkte WärmenutzungW Direkte Wärmenutzung (Wärmetauscher) Indirekte Wärmenutzung (Wärmepumpe) Temperaturuntergrenze des in die Sonde zurückströmenden Mediums: > 35 C > 12 C Simulationszeitraum 25 Jahre Anpassung über Entzugsleistung (kw) & Wärmearbeit (MWh/a) (Beispielwerte)
37 Thermisches Netto-Potential (Beispiel Urach 3) Bezogen auf Arbeit / Leistung der TEWS (Gewinnbare Energie / Leistung) (Energie / Leistung Umwälzpumpe) (Leistungs- & Energieanteil des Verdichters bei indirekter Nutzung über eine Wärmepumpe sind ausgeklammert) Leistung [kw] / Arbeit [MWh/a] Netto-Wärmearbeit (Indirekt) Netto-Entzugsleistung (Indirekt) 1200 Netto-Wärmearbeit (Direkt) 1000 Netto-Entzugsleistung (Direkt) Sondentiefe [m] Tiefenbereich: Leistungsbereich (blau hinterlegt): Wärmemenge (rot hinterlegt): m kw MWh/a Mit freundlicher Genehmigung der EnBW Energie Baden-Württemberg AG
38 Direkter Vergleich TEWS Fazit: Gewinnbare Wärmemenge aus der Bohrung Im Vergleich indirekt direkt: Die bei indirekter Gewinnung i.d.r. größere Temperaturabsenkung (niedrigere Bereitstellungstemperatur) ermöglicht Brutto - Potentialsteigerung von direkter zu indirekter Nutzung in Tiefenbereichen ab 2000 m um ca. 50% bis 80%! Zusätzliche Betriebskosten für Temperaturanhebung z.b. mittels Wärmepumpe
39 Einfluss der Betriebsweise (Urach 3, 2.500m) 0,3 Relativer Anteil [-] 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 steiles Profil moderates Profil konstantes Profil 0 Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Monate Leistung [kw] & Arbeit [MWh/a] Steiles Profil Moderates Profil Konstantes Profil Laufzeit [h/a] 0 Leistung [kw] Wärmearbeit [MWh/a] Laufzeit [h/a] 0
40 TEWS Marl Anbindung zum Verbraucher Quelle bbr Sonderheft 2010 Tiefe Geothermie, S ca. 300 m
41 Thermisches Fazit Thermische Leistung und Netto-Wärmepotential einer TEWS sind stark abhängig von: Wärmenutzungsform (Direkt Indirekt) Ausbautiefe (Trend: Höheres Potential bei größerer Ausbautiefe) Ausbau erfordert moderne Kunststoffe (geringer Temperaturbeständig und geringere Zugfestigkeit, weniger Erfahrung) oder aufwändig isolierte Stahltubings Thermische Reichweite einer TEWS vergleichsweise gering (< 50 m) (wenn überwiegend konduktiver Wärmetransport) Deutliche Effizienzsteigerungen durch Verlängerung der Laufzeit möglich (ganzjährige Wärmeabnehmer, konstantes Lastprofil) Potentialabschätzung erfordert thermische Modellierung unter Berücksichtigung aller Anlagenparameter
42 Auslegungsparameter Wärmenutzungskonzept / Abnehmerstruktur (Temperaturniveaus, Leistung, Arbeit, Lastprofile, Direkte / Indirekte Nutzung, Entfernung der Abnehmer zur Bohrung) Geologische und hydrogeologische Standortverhältnisse (Wärmeleitfähigkeiten, Grundwasserströmung, Untergrundtemperaturen, etc.) Anlagenhydraulik (Volumenstrom, Druckverluste, Leistung der Umwälzpumpe, evtl. Wärmepumpe etc.) Konfiguration der TEWS & Bohrung (Casing- und Steigrohrdurchmesser, isolierte Steigrohrstrecken, thermische Materialeigenschaften, Ringraumzementierung, etc.) Erzielbare thermische Leistung und erforderliche Aufwandsenergie (v.a. Umwälzpumpe) sind aufeinander abzustimmen!
43 Vielen Dank! Innovation in Sachen Geothermie Wo der Taschenrechner aufhört Dr. David Kuntz tewag Technologie Erdwärmeanlagen Umweltschutz GmbH Niederlassung Starzach Am Haag 12 D Starzach-Felldorf
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