LESSON 1: SHALLOW GEOTHERMAL SYSTEMS: AN EFFICIENT AND RENEWABLE ENERGY SOUCE FOR THERMAL ENERGY SUPLY

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1 LESSON 1: SHALLOW GEOTHERMAL SYSTEMS: AN EFFICIENT AND RENEWABLE ENERGY SOUCE FOR THERMAL ENERGY SUPLY Technische Aspekte und Verfahren bei der Durchführung eines oberflächennahen Geothermieprojekts Informationen zu Regelungsrahmen für Anlagen der Oberflächennahen Geothermie

2 1.1 BUILDINGS THERMAL ENERGY SUPPLY 2 - Beschreibung 1 Technische Aspekte und Verfahren bei der Durchführung eines Ziele Das Ziel dieses Kapitels ist es, einen Überblick über technische Aspekte und Verfahren bei der Durchführung eines Inhalte Verschiedene Systeme der oberflächennahen Geothermie Erdwärmetauscher, geologische Untersuchungen und Bohrung Verbindung zum und Integration ins Gebäude

3 1.1 BUILDINGS THERMAL ENERGY SUPPLY 2.1 Verschiedene Systeme der oberflächennahen Geothermie

4 BUILDINGS Verschiedene THERMAL Systeme ENERGY der oberflächennahen SUPPLY Geothermie 4 3 Die verschiedenen Arten von oberflächennahen geothermischen Systemen werden vorgestellt, Die Konzepte von erdgekoppelten Wärmepumpen (engl. GSHP) und Unterirdischer Thermischer Energiespeicherung (UTES) werden diskutiert, Die möglichen Varianten für die Ankopplung der Anlagen an den Untergrund werden aufgezeigt, wobei die Vor- und Nachteile sowohl der geschlossenen Systeme (z.b. Erdwärmesonden) als auch der offenen System (Grundwasserbrunnen) herausgestellt werden.

5 BUILDINGS Verschiedene THERMAL Systeme ENERGY der oberflächennahen SUPPLY Geothermie 4 Die verschiedenen Methoden, mit denen bei der oberflächennahen Geothermie Wärme aus dem Untergrund entnommen oder in diesen eingeleitet wird, umfassen: Horizontale Erdkollektoren in 1,2 2,0 m Tiefe Energiepfähle mit 5-45 m Tiefe Grundwasserbrunnen mit 4 - >50 m Tiefe Erdwärmesonden (engl. BHE) mit m Tiefe Wasser aus Bergwerken und Tunneln Verfahren, die Wärmetauscher im Untergrund verwenden, werden als geschlossene Systeme bezeichnet, solche, die Wasser aus dem Untergrund fördern und Wärmetauscher an der Oberfläche haben, als offene Systeme. LESSON 2

6 BUILDINGS Verschiedene THERMAL Systeme ENERGY der oberflächennahen SUPPLY Geothermie 65 Die verschiedenen Methoden, mit denen bei der oberflächennahen Geothermie Wärme aus dem Untergrund entnommen oder in diesen eingeleitet wird, umfassen: Horizontale Erdkollektoren in 1,2 2,0 m Tiefe

7 BUILDINGS Verschiedene THERMAL Systeme ENERGY der oberflächennahen SUPPLY Geothermie 76 Die verschiedenen Methoden, mit denen bei der oberflächennahen Geothermie Wärme aus dem Untergrund entnommen oder in diesen eingeleitet wird, umfassen: Erdwärmesonden (engl. BHE) mit m Tiefe

8 BUILDINGS Verschiedene THERMAL Systeme ENERGY der oberflächennahen SUPPLY Geothermie 87 Die verschiedenen Methoden, mit denen bei der oberflächennahen Geothermie Wärme aus dem Untergrund entnommen oder in diesen eingeleitet wird, umfassen: Energiepfähle mit 5-45 m Tiefe

9 BUILDINGS Verschiedene THERMAL Systeme ENERGY der oberflächennahen SUPPLY Geothermie 98 Die verschiedenen Methoden, mit denen bei der oberflächennahen Geothermie Wärme aus dem Untergrund entnommen oder in diesen eingeleitet wird, umfassen: Grundwasserbrunnen mit 4 - >50 m Tiefe Wasser aus Bergwerken und Tunneln

10 BUILDINGS Verschiedene THERMAL Systeme ENERGY der oberflächennahen SUPPLY Geothermie 10 9 Schema verschiedener Methoden, mit denen Wärme aus dem Untergrund entnommen oder in diesen eingeleitet werden kann Es gibt zwei Möglichkeiten, um die konstanten, aber niedrigen Temperaturen im Untergrund zu nutzen: Anheben (oder Herabsetzen) der Temperatur aus der Erde auf das im Gebäude benötigte Niveau durch erdgekoppelte Wärmepumpen (engl. GSHP) Anheben oder Herabsetzen der Temperatur im Untergrund durch Einspeisung oder Entnahme von Wärme (Unterirdische Thermische Energiespeicherung, UTES).

11 BUILDINGS Verschiedene THERMAL Systeme ENERGY der oberflächennahen SUPPLY Geothermie Offene und geschlossene Systeme Vor- und Nachteile Offene Systeme Grundwasserbrunnen Wärmetransport aus der Erde in den Brunnen und umgekehrt durch Druckgefälle (Pumpen) Geschlossene Systeme Beispiel: Erdwärmesonden Wärmetransport aus der Erde in das Fluid innerhalb der Sonde und umgekehrt durch Temperaturgefälle Vorteile: Hohe Wärmeleistung bei relativ geringen Kosten Relativ hohes Temperaturniveau der Wärmequelle bzw. niedriges Niveau der Kältequelle Vorteile: Keine regelmäßige Wartung Sicher Kann so gut wie überall eingesetzt werden Nachteile: Wartung der Brunnen Erfordert ausreichend Ergiebigkeit Der Grundwasserchemismus muss untersucht werden Nachteile: Begrenzte Leistung pro Bohrung Relativ niedriges Temperaturniveau der Wärmequelle bzw. hohes Niveau der Kältequelle

12 1.1 BUILDINGS THERMAL ENERGY SUPPLY 2.2 Erdwärmetauscher, geologische Untersuchungen und Bohrung

13 2.2 Erdwärmetauscher, geologische Untersuchungen 1.1 BUILDINGS THERMAL ENERGY SUPPLY 13 und Bohrung 12 Der wesentliche Unterschied zwischen konventionellen Anlagen für Heizung und Kühlung und erdgekoppelten Wärmepumpen ist die Nutzung des Untergrunds als Wärmequelle und senke Daher sind eine entsprechende Kenntnis der geologischen Bedingungen am Standort der Anlage und die Art und Weise, wie thermische Parameter des Untergrunds bei der Planung des Gesamtsystems integriert werden, der Schlüssel zu einer korrekten Entwicklung eines Vorhabens in der oberflächennahen Geothermie.

14 2.2 Erdwärmetauscher, geologische Untersuchungen 1.1 BUILDINGS THERMAL ENERGY SUPPLY 14 und Bohrung 13 Wärmetransport im und Wärmeaustausch mit dem Untergrund Es gibt grundsätzlich drei mögliche Arten des Wärmetransports: 1. Wärmeleitung 2. Wärmetransport durch Konvektion 3. Wärmestrahlung. In Boden und Fels kann Wärmeleitung vernachlässigt werden Daher müssen nur zwei dieser Transportmechanismen betrachtet werden In vielen Fällen ist der tatsächliche Wärmetransport im Untergrund eine Mischung aus Wärmeleitung und Konvektion, mit unterschiedlichen Anteilen; in festem Fels ohne Porenraum erfolgt Wärmetransport nur durch Wärmeleitung.

15 2.2 Erdwärmetauscher, geologische Untersuchungen 1.1 BUILDINGS THERMAL ENERGY SUPPLY 15 und Bohrung 14 Thermische Eigenschaften des Untergrunds Die wesentlichen Parameter, die die thermischen Eigenschaften bzw. Zustand des Untergrunds beschreiben, sind: Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds Volumenbezogene spezifische Wärmekapazität des Untergrunds Ungestörte Untergrundtemperatur Die Fähigkeit des Untergrunds, Wärme zu transportieren und zu speichern, hängt von verschiedenen Faktoren ab, vor allem von: Mineralogische Zusammensetzung des Gesteins: General gilt, dass ein hoher Quarzgehalt in einer hohen Wärmeleitfähigkeit resultiert. Dichte und Gefüge: Eine hohe Dichte des Materials bedeutet meist ein geschlossenes Gefüge ohne Hohlräume. Je höher die Dichte ist, desto größer ist daher meist die Wärmeleitfähigkeit und thermische Diffusion. Wassergehalt: In Gesteinen mit Porenraum erhöht das Vorhandensein von Wasser den Wärmetransport, selbst bei fehlendem Grundwasserfließen. Es füllt die Poren und erhöht damit die Wärmeleitfähigkeit des Gesteinskörpers.

16 2.2 Erdwärmetauscher, geologische Untersuchungen 1.1 BUILDINGS THERMAL ENERGY SUPPLY 16 und Bohrung 15 Die Probebohrung Geologische Charakterisierung Ein gutes Beispiel für ein Werkzeug zur geologischen Untersuchung für Erdwärmesonden und Grundwasserbrunnen ist eine Probebohrung. Eine Probebohrung mit entsprechender geologischer Überwachung und Auswertung erlaubt umfassende Information über: Gesteinsaufbau Störungen/Klüftung Hydrogeologie Grundwasserspiegel Grundwasserleiter Ergiebigkeit (durch Pumpversuch) Grundwasserchemismus Auswahl von Verfüllmethode und -material Bohrparameter (Bohrfortschritt, Durchmesser, Bedarf von Hilfsverrohrung, Bohrkosten) nach Einbau einer Erdwärmesonde Möglichkeit für eine Thermal Response Test (TRT) Möglichkeit für geophysikalische Logs (ggf. nach Einbau eines weiteren Rohres) zu ungestörter Temperatur, Temperaturprofilen vor und nach TRT, andere geophysikalische Verfahren

17 2.2 Erdwärmetauscher, geologische Untersuchungen 1.1 BUILDINGS THERMAL ENERGY SUPPLY 17 und Bohrung 16 Erdwärmesonden (englisch: Borehole Heat Exchangers, BHE) Vertikale (oder schräg eingebaute) Erdwärmesonden können nach dem Sondenquerschnitt und der Anordnung der einzelnen Rohre unterschieden werden. Die grundsätzlichen Erdwärmesonden-Varianten sind U-Rohre oder koaxiale Rohre:.

18 2.2 Erdwärmetauscher, geologische Untersuchungen 1.1 BUILDINGS THERMAL ENERGY SUPPLY 18 und Bohrung 17 Erdreich-Wärmetauscher Schema der Anordnung von Erdreich-Wärmetauschern:. Vertikal (Erdwärmesonde) Horizontal (Erdwärmekollektor) Slinky

19 2.2 Erdwärmetauscher, geologische Untersuchungen 1.1 BUILDINGS THERMAL ENERGY SUPPLY 19 und Bohrung 18 Thermal Response Test (TRT) In vielen Fällen, meist in Verbindung mit mittleren und größeren Anlagen, ist ein Thermal Response Test erforderlich: 1. Ziel: In-situ-Bestimmung der thermischen Eigenschaften von Untergrund und Bohrloch. 2. Zu bestimmende Parameter: ungestörte Untergrundtemperatur, effektive Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds, thermischer Bohrlochwiderstand. 3. Warum diese Parameter? Sie werden zur Auslegung der Länge von Erdwärmesonden benötigt. Der höchste Kostenanteil bei einer erdgekoppelten Wärmepumpenanlage sind die Kosten für Erdwärmesonden oder andere Einrichtungen zum Wärmeaustausch mit dem Untergrund.

20 2.2 Erdwärmetauscher, geologische Untersuchungen 1.1 BUILDINGS THERMAL ENERGY SUPPLY 20 und Bohrung 19 Vorteile aus der Durchführung eine TRT Eine genaue Bestimmung der thermischen Eigenschaften des Untergrunds hat einen direkten Einfluss auf Effizienz und Kosten einer erdgekoppelten Wärmepumpenanlage Technische und wirtschaftliche Optimierung der Anlage zur Nutzung oberflächennaher Geothermie Die gemessene Wärmeleitfähigkeit ist häufig höher als die in Datenbanken aufgeführten Werte Gemessene Parameter sind die wichtigsten Eingabewerte für die übliche Programme zu Simulation und Planung (EED, TRNSYS, ) Die Endziel des TRT ist die korrekte Auslegung eines Erdwärmesondenfelds (Bohrtiefe, Anzahl Bohrungen, Abstand der Bohrungen zueinander)

21 2.2 Erdwärmetauscher, geologische Untersuchungen 1.1 BUILDINGS THERMAL ENERGY SUPPLY 21 und Bohrung 20 Prinzip des TRT Eintrag (25-60 W/m) oder Entzug (15 35 W/m) einer konstanten thermischen Leistung in den bzw. aus dem Untergrund Testgeräte mit Wärmeeintrag nutzen elektrische Widerstandsheizung Testgeräte mit Wärmeeintrag und entzug benötigen eine Wärmepumpe

22 1.1 BUILDINGS THERMAL ENERGY SUPPLY 2.3 Verbindung zum und Integration ins Gebäude

23 BUILDINGS Verbindung zum THERMAL und Integration ENERGY SUPPLY ins Gebäude Der Wärmeaustausch mit dem Untergrund ist an eine Wärmepumpe gekoppelt, um die natürlich vorkommende Wärme auf niedrigem Temperaturniveau auf ein nutzbares Temperaturniveau zu bringen.. Wärmepumpentechnologie wird umfangreich genutzt für Raumheizung, Raumkühlung und Warmwasserversorgung in Wohn- und Nichtwohngebäuden, für Kälteerzeugung und in industriellen Prozessen.

24 BUILDINGS Verbindung zum THERMAL und Integration ENERGY SUPPLY ins Gebäude Konzept der Wärmepumpe Es erscheint natürlich, dass Wärme von warmen zu kalten Objekten fließt. Wärmepumpen verwenden von außen zugeführte Energie, um diese natürliche Fließrichtung von Wärme umzukehren Definition der Wärmepumpe Eine europäische Norm für Prüfung und Leistungsbemessung von Wärmepumpen, EN , definiert Wärmepumpen folgendermaßen: [a] heat pump [is an] encased assembly or assemblies designed as a unit to provide delivery of heat. It includes an electrically operated refrigeration system for heating. It can have means for cooling, circulating, cleaning, and dehumidifying the air. The cooling is by means of reversing the refrigeration cycle. (Eine Wärmepumpe ist eine Einheit zur Bereitstellung von Wärme. Sie enthält einen elektrisch angetriebenen Kältekreislauf für Heizung. Sie kann auch Einrichtungen zum Kühlen, Umwälzen, Reinigen und Entfeuchten von Luft enthalten. Kühlung wird durch Umkehr des Kältekreislaufs erreicht. Übers. Regeocities) Es sei angemerkt, dass Wärmepumpen-Kompressoren auch mit Verbrennungsmotoren angetrieben werden bzw. Absorptions-Wärmepumpen direkt mit Gas betrieben werden können.

25 BUILDINGS Verbindung zum THERMAL und Integration ENERGY SUPPLY ins Gebäude So funktioniert eine Wärmepumpe 1. Das gasförmige Arbeitsmittel (Arbeitsmitteldampf) wird durch den Kompressor verdichtet und durch den Kreislauf gefördert. 2. Auf der Ausblasseite des Kompressors wir das nunmehr heiße und hochverdichtete Gas in einem Wärmeübertrager (Verflüssiger) abgekühlt, bis es zu einer Flüssigkeit mit etwas geringerer Temperatur kondensiert. 3. Das flüssige Arbeitsmittel läuft dann durch ein den Druck herabsetzendes Bauteil wie ein Expansionsventil oder ein Kapillarrohr. 4. Das nunmehr unter niedrigem Druck stehende, noch (weitgehend) flüssige Arbeitsmittel erreicht einen weiteren Wärmeübertrager (Verdampfer), wo es unter Wärmeaufnahme durch Verdampfung wieder gasförmig wird. Das Arbeitsmittel kehrt zum Kompressor zurück, der Kreislauf wiederholt sich.

26 BUILDINGS Verbindung zum THERMAL und Integration ENERGY SUPPLY ins Gebäude Heiz- und Kühlmodus Eine Wärmepumpe tut im Heiz- wie im Kühlmodus jeweils das Gleiche: Sie pumpt Wärme von einer Seite zur anderen. Im Heizmodus wird Niedertemperaturwärme aus einer Quelle (hier Geothermie) aufgenommen und auf höherem Temperaturniveau an die Heizung im Gebäude abgegeben. Im Kühlmodus ist der Betrieb umgekehrt (Umkehrung im Kältekreislauf oder in einem Fluidkreislauf außerhalb), und sie arbeitet wie eine Klimaanlage, indem sie Wärme im Gebäude aufnimmt und auf höherem Temperaturniveau außen an eine Senke (hier Geothermie) abgibt. Bei Erdwärmesonden und Grundwasserbrunnen ist auch eine direkte Kühlung möglich, unter Umgehung der Wärmepumpe.

27 BUILDINGS Verbindung zum THERMAL und Integration ENERGY SUPPLY ins Gebäude Effizienz Es gibt verschiedene Ansätze, die Effizienz einer Wärmepumpenanlage zu beschreiben. Sie beruhen alle auf: Der Effizienz der Wärmepumpe selbst (vor allem durch Qualität der Komponenten bestimmt) Der Temperatur das durch die Wärmepumpe abgegebenen, erwärmten oder abgekühlten Wassers Der Temperatur der Fluids der Wärmequelle (Grundwasser, Wasser, Wasser-/Frostschutz- Gemisch) im Fall einer erdgekoppelten Wärmepumpe oder der Außenluft im Fall einer Luftwärmepumpe. Leistungszahl (COP, Coefficient Of Performance) Die Leistungszahl (COP) ist ein Maß für die Effizienz der Wärmepumpe an sich. Sie wird ermittelt, indem die durch die Wärmepumpe abgegeben Wärmeleistung durch die elektrische Stromaufnahme geteilt wird, gemessen bei festgelegten Temperaturen.. Je höher die Leistungszahl, desto effizienter die Wärmepumpe. Der Wert ist vergleichbar dem Wirkungsgrad von Öl- oder Gaskesseln bei vorgegebenen Randbedingungen. Die Leistungszahl (COP) einer Wärmepumpe bei Heizen oder Kühlen ergibt sich aus:

28 BUILDINGS Verbindung zum THERMAL und Integration ENERGY SUPPLY ins Gebäude Jahresarbeitszahl (SPF, Seasonal Performance Factor) Die Jahresarbeitszahl bezieht sich auch die Effizienz über eine ganzes Jahr oder ein ganze Saison (Sommer/Winter). Stromaufnahme und abgegebene Wärme/Kälte wir über den Zeitraum aufaddiert und dann die abgegebene Energie durch die Stromaufnahme geteilt: gesamte Wärmeabgabe (KWh) / gesamte Stromaufnahme (KWh) = SPF. SPF ist eine besser geeignete Methode, um die Leistung verschiedener Wärmepumpenanlagen zu vergleichen, da hierbei auch die Betriebskosten über eine ganze Saison genau ermittelt werden. Energy Efficiency Ratio (EER) EER misst die Kühleffizienz einer Wärmepumpe unter vorgegebenen Randbedingungen und ist vor allem in Nordamerika gebräuchlich. Dabei wird die Kälteleistung einer Wärmepumpe (angegeben in Btu/h) durch die elektrische Stromaufnahme in W bei bestimmten Temperaturen geteilt. Je höher EER, desto effizienter die Maschine. Eine Umrechnung ist möglich: EER = COP * 3.412

29 BUILDINGS Verbindung zum THERMAL und Integration ENERGY SUPPLY ins Gebäude Erneuerbare Energie aus Wärmepumpen Die EU-Richtlinie 2009/28/EG definiert Regeln, nach denen die durch Wärmepumpen bereitgestellte erneuerbare Energie berechnet werden soll. Details zum Verfahren und Schätzhilfen sind im Kommissionsbeschluss 2013/114/EU aufgeführt. Die Menge der durch Wärmepumpen bereitgestellten aerothermischen, geothermischen oder hydrothermischen Energie, die als erneuerbare Energie im Sinne der Richtlinie gilt (E res ), soll nach folgender Formel berechnet werden: E res =Q usable *(1-1/SPF) Q usable = die gesamte (hochgerechnete) nutzbare Wärme aus Wärmepumpen; dabei gilt, das nur Wärmepumpen mit SPF > 1.15*1/η berücksichtigt werden dürfen SPF = die geschätzte durchschnittliche Jahresarbeitszahl für diese Wärmepumpen η ist das Verhältnis zwischen der gesamten Stromerzeugung und der dafür eingesetzten Primärenergie; es soll durch Eurostat als EU-Durchschnitt angegeben werden

30 BUILDINGS Verbindung zum THERMAL und Integration ENERGY SUPPLY ins Gebäude Parameter zur Planung einer Anlage der oberflächennahen Geothermie Es gibt verschiedene Parameter, die für Planung und Entwicklung eine Anlage der oberflächennahen Geothermie von Bedeutung sind: Die klimatischen Bedingungen Der Gebäudetyp und sein Wärme- und Kältebedarf Die geologischen Bedingungen und die thermischen Eigenschaften des Untergrunds Bau von Brunnen, Bohrungen, Gräben, Verfüllung von Bohrungen und Gräben Hydraulische Eigenschaften, Dimension und Typ des Wärmetauschers sowie Eigen- schaften des Wärmeträgermediums Hydrogeologie und ihr Einfluss auf Brunnen, vertikale und horizontale Wärmtauscher (jahreszeitliche Schwankungen des Grundwasserspiegels, ungesättigte Zone, usw.)

31 BUILDINGS Verbindung zum THERMAL und Integration ENERGY SUPPLY ins Gebäude Wärme- und Kältebedarf Die beiden für die Planung von Heiz- und Kühlsystemen erforderlichen Schritte sind: Berechnung der thermischen Lasten Analyse des thermischen Energiebedarfs Um den Wärme- und Kältebedarf zu bestimmen, ist es daher nötig, die Eigenschaften der Konstruktion zu bestimmen (Materialien, Dimensionen, Form, Außenfarbe, usw.) und die Umweltinformationen zu erhalten (Klimadaten, maßgebende Planungsbedingungen) die Planungsvorgaben für den Innenraum festzulegen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Belüftung, usw.) Die Nutzungsbedingungen des Gebäudes zu definieren (Beleuchtung, Nutzerverhalten, Geräte und Anlagen, usw.) den maximalen und minimalen Leistungsbedarf (Heizen/Kühlen) zu bestimmen

32 LESSON 1: SHALLOW GEOTHERMAL SYSTEMS: AN EFFICIENT AND RENEWABLE ENERGY SOUCE FOR THERMAL ENERGY SUPLY Informationen zu Regelungsrahmen für Anlagen der Oberflächennahen Geothermie