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1 Präsentation Erfolgsfaktoren für solare Mikrowärmenetze mit saisonaler geothermischer Wärmespeicherung GEOSOL Präsentation anlässlich des Energietages am an der HTL Wiener Neustadt AutorInnen: Peter Biermayr (TU-Wien) Gregor Götzl, Stefan Hoyer, Martin Fuchsluger (Geologische Bundesanstalt), Gerald Stickler und Schüler (HTL Wiener Neustadt) Ein Forschungsprojekt im Rahmen des Forschungsprogramms Sparkling Science, gefördert vom Bundesministerium für Wissenschaft und Forschung 1 Inhalt Inhalt der Präsentation: 1. Motivation, Fragestellung und Methode 2. Erfolgsfaktor Gebäude 3. Fallstudien 4. Der geothermische Speicher 5. Schlussfolgerungen und Ausblick 2

2 Motivation Untersuchungsleitende These: Saisonale Wärmespeicherung ist die Schlüsseltechnologie für eine vollsolare Wärmeversorgung im Niedertemperaturbereich. Abbildung: jahreszeitliche Verschiebung zwischen Solarstrahlung und Wärmebedarf 3 Fragestellung Drei Haupt-Forschungsfragen: 1. Eignen sich geothermische Speicher für die saisonale Wärmespeicherung (langfristig, dynamisch)? 2. Was sind die technischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Erfolgsfaktoren für das GEOSOL-Modellsystem? 3. Können vielversprechende Fallstudien im Großraum Wiener Neustadt identifiziert werden (zukünftige Pilot- u. Demonstrationsanlagen)? 4

3 Methoden Das GEOSOL-Modellsystem 5 Methoden Wesentliche Methoden Analyse internationaler Erfahrungen Simulation von Modellsystemen (1h/5-10a) Untersuchung von Fallstudien Beiträge der HTL Wr. Neustadt Fallstudien (Erhebungen, Berechnungen) Konzept für ein Feldlabor an der HTL Logo, Projekthomepage 6

4 Erfolgsfaktor Gebäude Jahreswärmebilanz von Gebäuden Modellgebäude: Grundriss 15m x 10m Erfolgsfaktor Gebäude Jahresenergiebilanz Gebäude in der Praxis (nicht sanierte Gebäude) Baujahr 1900 Baujahr 1950 Baujahr 1980 Baujahr 2000 EFH: 250kWh/m 2 a EFH: 260kWh/m 2 a EFH: 180kWh/m 2 a EFH: 40kWh/m 2 a MFH:150kWh/m 2 a MFH:150kWh/m 2 a MFH: 90kWh/m 2 a MFH: 30kWh/m 2 a 8

5 Erfolgsfaktor Gebäude Energieeffizienz der Wärmepumpe konventionell GEOSOL Verflüssigungstemperatur [ C] Annahme: Carnotscher Gütegrad = 0,5 9 Erfolgsfaktor Gebäude Fazit Erfolgsfaktor Gebäude ausgeglichene Wärmebilanz im Mikronetz erforderlich Niedertemperatur-Wärmeverteilsysteme! Altbau: Thermische Sanierung erforderlich Regelkonzept mit direkter Solarwärmenutzung zentrale Wärmepumpe nur bei homogener Last bei zu geringem Wärmebedarf ist das GEOSOL- System nicht wirtschaftlich Systemwirtschaftlichkeit im Vgl. mit Ölheizung gegeben, jedoch hohe Investitions- und geringe Betriebskosten. 10

6 GEOSOL-Fallstudien Analyse von Fallstudien durch Schüler Schuljahr 2010/2011: Gutenstein: 2 Mehrfamilien-Wohnhäuser Muggendorf: Gastronomiebetrieb + Wohnhaus Maiersdorf: Gemeindeamt + Kiga+Vereinshaus Raach: 2 Einfamilienhäuser Ternitz: 3 Einfamilienhäuser Schuljahr 2011/2012: Gutenstein: Weiterentwicklung Maiersdorf: Weiterentwicklung HTL Altbau: Neue Fallstudie HTL Neubau: Neue Fallstudie 11 GEOSOL-Fallstudien Muggendorf Gutenstein Quelle: Geologische Bundesanstalt Maiersdorf Ternitz Wiener Neustadt Raach am Hochgebirge 12

7 GEOSOL-Fallstudien Aufgabenstellung für die Schüler Berechnung der Energiekennzahlen Auswahl der möglichen Dachflächen Bestimmung eines geeigneten Kollektors Anordnung der Kollektoren auf den Dachflächen Abschätzung der solarthermischen Erträge Auswahl eines geeigneten Standortes für die Tiefenbohrungen Kostenschätzungen 13 GEOSOL-Fallstudien Projektierung Solaranlage HTL Kollektor: Solarmodul Schüco CTE 220 CH5 2,52 m 2 Kollektorfläche/Modul 14

8 GEOSOL-Fallstudien Luftaufnahme HTL Neubau 15 Planung Solaranlage HTL Würth Solar-Vorbemessung Modulanordnung Verschattung: Aufständerung Breitengrad 50 Aufständerungswinkel 30 Verschattungswinkel 16,5 optimale Verschattungslänge 2,11 m Verschattungslänge 2,11 m 16

9 Planung Solaranlage HTL Wärmebedarf vs. ertrag HTL Neubau Jahreswärmebedarf: MWh, Jahreswärmeertrag: 254 MWh solare Deckung mit saisonaler Speicherung: 23% 17 Planung Solaranlage HTL Kostenschätzung HTL Neubau Dach 1 Dach 2 Turnsaal Kollektormodule (in Stück) Dachfläche 470 m² 210 m² 194 m² Kosten/Modul 580,00 580,00 580,00 Kosten/UK 150,00 150,00 150,00 Kosten Montage 55,00 55,00 55,00 Kosten Leitungen 3.000, , ,00 Gesamtkosten , , , ,00 18

10 Planung Solaranlage HTL Luftaufnahme HTL Altbau 19 Planung Solaranlage HTL Wärmeertrag vs. -bedarf HTL Altbau Jahreswärmeertrag: 960 MWh, Jahreswärmebedarf: MWh solare Deckung mit saisonaler Speicherung: 73% 20

11 Planung Solaranlage HTL Kostenschätzung HTL Altbau Kostenschätzung Altbau Dach 1 11 Kollektormodule (in Stück) 541 Dachfläche m² Kosten/Modul 580,00 Kosten/UK 150,00 Kosten Montage 55,00 Kosten Leitungen , ,00 21 Planung Solaranlage HTL Fazit Wärmebilanz und Solaranlage der HTL Wr. Neustadt der Wärmebedarf der HTL übersteigt den möglichen Wärmeertrag durch Solarthermie eine ausgeglichene Wärmebilanz ist durch thermische Gebäudesanierung zu erreichen zusätzlich sind Maßnahmen zur Reduktion der Heizungsvorlauftemperatur erforderlich 22

12 Speicherverhalten Boden Das Speicherverhalten im Boden Zentrale Fragestellungen: Wärmeübertragungsverhalten System Sonde/Kollektor Untergrund Ausbreitungsverhalten der Temperaturwelle im Untergrund, Einfluss von Grundwasser Thermische Beeinflussung des Untergrundes durch die Speicherung Thermodynamische Überlegungen zur Systemoptimierung 23 Speicherverhalten Boden Allgemeine Systembetrachtung ANFORDERUNGEN: Möglichst hohe Speichereffizienz (Verluste 0%)! Geringer Platzbedarf Geringe Investitionskosten Flexibilität (geringe Reaktionszeiten) O m 2 m Oberflächenverluste Speicherverluste Advektion 150 m 24

13 Speicherverhalten Boden Wärmeübertragungsverhalten Kann es zu Übersättigungserscheinungen kommen? Übertragungsverhalten Beladung / Entladung Fallbeispiel 1: Dauerhafte Beladung mit anschließender Entladung auf konstantem T-Niveau (hypothetisch) Beitrag der Wärmespeicherung ca. um Faktor 2,5 höher als Wärmeentzug Wärmespeicherung im Jahr 1 bewirkt nur temporäre Leistungssteigerung im Jahr 2 25 Speicherverhalten Boden Ausbreitung Temperaturwelle Periodische Temperatursignale haben eine kürzere Reichweite als aperiodische Signale Ausgeglichene energetische Bilanz im Untergrunde sollte Ziel sein GEOSOL System: aperiodische Anteile = Verluste Ausbreitung einer Temperaturfront nach 180 Tagen Fließgeschwindigkeit (m/tag) Mächtigkeit GW Körper (m) ,00 1,00 2,00 3,00 Bedingung Ausbreitungslänge nach 180 Tagen < 20 m nicht 4,00 erfüllt! 5,00 6,00 Abstand der Temperaturwelle nach 180 Tagen [m] Aperiodisches Signal ,1 Gesteinstypen Grundwasser Temperaturleitfähigkeit [10-7 m/s] Periodisches Signal 26

14 Speicherverhalten Boden Thermische Beeinflussung Untergrund 27 Speicherverhalten Boden Ansätze zur Effizienzsteigerung 2) Einzelsonde (Doppel U-Rohr) Variation der Zirkulationsrate 28

15 Speicherverhalten Boden Ansätze zur Effizienzsteigerung 3) Multiple Sonden (Sondenfeld) T Grundrissskizze ablaufende saisonale Wärmewelle T0 x r Sonden 2-3m Ansätze: Verhältnis Lade- zu Entladesonden: ca. 1:3 Optimaler Sondenabstand: ca. 2-3 Meter (materialabhängig) Hohes Potenzial in der Optimierung der Be- u. Entladestrategien Weitere Verbesserungen durch vertikale Geometrie und Isolation 29 Forschungsergebnisse Simulation des Untergrundes (Jahresgang eines 4-Sonden Feldes) 1. Jänner 14. März 26. Mai 7. August 19. Oktober 30

16 Speicherverhalten Boden Ansätze zur Effizienzsteigerung 31 Speicherverhalten Boden Sondenrücklauftemperaturen im Heizbetrieb Histogramm der Sondenrücklauftemperaturen Anzahl der Betriebsstunden mittlere Rücklauftemperatur = 10 C Rücklauftemperaturen in C 32

17 Speicherverhalten Boden Vorläufige Schlussfolgerungen Beladung des Untergrundes unproblematisch, jedoch Optimierung der Entladung ist notwendig Oberflächennaher Flachkollektor ist keine Option Oberflächenverluste Fließendes Grundwasser ist KO Kriterium Durch Trägheit des Bodens nur geringe räumliche Ausbreitung eng begrenzte Sondenfelder Starke Erwärmung des Untergrundes nur auf unmittelbaren Nahbereich beschränkt Die technische Machbarkeit zeichnet sich ab Planung von Pilot- und Demonstrationsanlagen 33 GEOSOL Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dr. Peter Biermayr, TU-Wien, Informationen im Web: oder 34