Regenerative Energien in der Stadt

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1 VERTRAULICH Dr. Nikolaus Meyer Regenerative Energien in der Stadt Sommerworkshop Energiewende in der Stadt Die Grünen, Hamburg / Fossil Free Hamburg Dr. Nikolaus Meyer Geo-En Energy Technologies GmbH

2 Geschäftsführung der Geo-En Dr. Nikolaus Meyer, CEO Geboren in Freiburg im Breisgau Studium Physik (Hamburg, Berlin) und BWL (Hagen) Promovierter Physiker CEO der Soltecture GmbH (Entwicklung von Technologie und Anlagentechnik für Solarmodule, Spezialist für solares Bauen) Seit Mai 2013 CEO von Geo-En Tobias Viernickel Geboren in Berlin Studium Bauingenieurwesen (Berlin) 15 Jahre Erfahrung in Bau und Betrieb von Geothermie-Anlagen Gründer von Geo-En Tobias Viernickel, Dr. Nikolaus Meyer - 2 -

3 Geo-En Energy Technologies Gegründet 2007, Sitz in Berlin (Schöneberg) Team aus 25 Ingenieuren, Physikern, Geologen und Heizungsbauern Planung, Bau und Betrieb schlüsselfertiger Energiesysteme für Wohnanlagen, Siedlungen und Gewerbe (Wärme, Kälte, Strom) Spezialist für Hybridlösungen zur wirtschaftlichen und effizienten Nutzung von Erdwärme, Erdkälte und Umweltenergie Anbieter geothermische Hochleistungsquellen (Integralsonde) Hersteller von Monitoring- & Steuerungssystemen für hybride Energieanlagen und thermische Speicher GeoSave 930 kw, Fürstenfeldbruck GeoSave 450 kw, Hamburg GeoSave 60 kw, Berlin GeoHybrid 450 kw, Berlin GeoPV 50 kw, Strausberg GeoSave 380 kw, Braak 450 kw Hybridsystem mit Wärmepumpe, BHKW, Gasbrennwertkessel GeoSave 70 kw, Schwedt GeoHybrid + Kaltnetz, 900 kw, Berlin - 3 -

4 Energieverbrauch in Deutschland Wärme & Kälte 57,2% 57% des Endenergieverbrauchs entfallen auf den Wärmemarkt 85 % des Energiebedarfs in Privathaushalten machen Raumwärme und Warmwasser aus Noch immer wird Heizwärme überwiegend fossil erzeugt Quelle: BWP, Bilanz für die Energieanwendung in Deutschland 2012 Grafik Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.v

5 Die Wärmewende erfordert schnelles Wachstum der Umwelt-energie-Nutzung entgegen dem Trend der letzten Jahre. Entwicklung des Anteils Erneuerbarer Energie am Endenergieverbrauch für Wärme in Deutschland (in %) Zielwert der Bundesregierung für

6 Quellen für erneuerbare Wärme und Kälte Energiequelle Funktion Einsatzgrenzen Solarthermie Direkte Umwandlung von Solarstrahlung in Wärme Geringe Solareinstrahlung in Heizperiode, nur zur Heizungsunterstützung Geothermie Nutzung der Erdwärme durch Wärmetausch mit Wasser/Sole oder Grundwasserzirkulation Biomasse Verbrennung biogener Rohstoffe wie Holz, Biogas, Bioethanol etc. Erneuerbarer Strom (Power-to-heat) Wandlung von Strom (Solar, Wind etc.) zu Wärme durch Heizstab (ca. 1 : 1) / Wärmepumpen (ca. 1 : 3) Erdwärme nur in großen Tiefen ausreichend für Direktnutzung Oberflächennahe Geothermie nur mit Wärmepumpe Hoher spezifischer Invest (Amortisationszeit > 6 Jahre) Verfügbarkeit der Rohstoffe Durch Energiewende im Stromsektor und EnEV wachsendes Potential Verfügbarkeit Erneuerbaren Stroms Wärmepumpen nur mit Flächenheizern effizient (vor allem Neubau) Indirekte Quellen Kraft-Wärme-Kopplung: BHKW, Fernwärme Wärme als Beiprodukt der Stromerzeugung aus Gas/Kohle/Öl PE-Faktor* Wärme < 1 Wärmerückgewinnung Nutzung von Abwärme aus Industrie, Abwasser, Lüftung etc. Fernwärme nur in Ballungsräumen wirtschaftlich BHKWs nur zur Grundlastdeckung wirtschaftlich Nur solange gesetzlich als quasi-erneuerbar akzeptiert Nur bei Verfügbarkeit von Abwärme aus Industrie, Abwasser Wärmedämmung Reduktion des Wärmebedarf durch Wärmedämmung, Passivhaus Nur solange gesetzlich als Ersatzmaßnahme akzeptiert * Primärenergiefaktor = Multiplikator auf die Wärmeenergie zur Berechnung des zur Wärmebereitstellung eingesetzten nicht erneuerbaren Energie - 6 -

7 Erneuerbare Wärme und Kälte bereitgestellt durch Wärmepumpen Heizen und Kühlen mit Wärmepumpen Hocheffiziente Nutzung von Umweltenergie und (Ab-) Wärme auf niedrigem Temperaturniveau Vielfache Umweltenergiequellen nutzbar durch Wärmepumpen Hocheffiziente Umsetzung von Antriebsenergie (Strom) in Wärme oder Kälte Kein Brennstoffbedarf, keine Abgase Antriebsenergie Wärmepumpe Heiz- und Kühlenergie (30 35 C) Umweltenergie oder Abwärme (10 7 C) 380 kw Geo-En Wärmepumpe - 7 -

8 Durch den zunehmenden Anteil Erneuerbarer Energie im Stromnetz sinken die CO 2 -Emissionen von Wärmepumpen kontinuierlich. CO2-Emissionen der Wärmeerzeugung (g CO 2 /kwh th ) Ausbaukorridor für Erneuerbaren Strom - 8 -

9 Oberflächennahe Geothermie: Wärmequelle, Kältequelle, saisonaler Speicher Winter (Heizmodus) Erdsonde entzieht dem Erdboden Wärme, Wärmepumpe erhöht Temperatur auf Heizniveau (> 35 C) Sommer (Kühlmodus) Wasser von Erdsonde wird direkt - ohne Wärmepumpe - zur Gebäudekühlung genutzt. Wärme aus Gebäude und Umwelt wird in den Erdboden abgeführt 9-12 C 50 m C Alle Zahlen typische Werte für Berlin - 9 -

10 Geothermie und Wärmepumpen: Hocheffizientes System zur Nutzung Erneuerbarer Energie Effizienter Betrieb der Wärmepumpe im Winter durch hohe Erdbodentemperatur im Vergleich zur Außentemperatur Hocheffizientes Kühlen durch Passivkühlung (direkte Nutzung der Erdkälte, 16 C Vorlauf) und Aktivkühlung (mit Wärmepumpe als Kälteanlage, 6 C Vorlauf) Kein Verbrennungsprozess, kein Abgassystem, keine Geräuschemissionen Ausführbar monovalent (Bild) oder mit Gasbrennwertkessel für Spitzenlast GeoSave Aktiv Passiv GEOTHERMIE-QUELLE

11 Geothermiequellen transportieren Erdwärme ins Gebäude und sommerliche Abwärme in den Boden Geo-En-Integralsonde Sondenfeld -10 C Wärmepumpe oder -tauscher -10 C Wärmepumpe oder -tauscher Schluckbrunnen 10 C Pumpe 0 C Saugbrunnen 10 C 0 C Brunnen zur vertikalen Zirkulation von Grundwasser Feld einzementierter Doppel-U-Sonden (Erdwärmetauscher) Leistung: ca. 40 kw pro Bohrung (= 10 Erdwärmesonden) Für Standorte mit mächtigem Grundwasserleiter Hohe Temperaturstabilität über das ganze Jahr Patentgeschützte Geo-En-Technologie Wasser Wärmeübertragung über zirkulierende Sole (Wasser/Glycol) Leistung: ca. 4 kw pro 100m-Bohrung Breit einsetzbar, fast alle Standorte Zement Von oben:

12 Energieeffizienz geothermisches Heizen und Kühlen Heizung Strom: 1 MWh Geothermiequelle & Wärmepumpe Wärme: 4 MWh 30 C/40 C (*) Erdwärme: 3 MWh 5 C/2 C (*) Passivkühlung Strom: 1 MWh Geothermiequelle Kälte: 20 MWh 16 C/22 C Erdkälte: 20 MWh 18 C/15 C Aktivkühlung Strom: 1 MWh Geothermiequelle & Reversierte Wärmepumpe Kälte: 5 MWh 6 C/12 C Erdkälte: 5 MWh 23 C/20 C * Vorlauf- bzw. Rücklauftemperaturen der Geothermiequellen bzw. des Nutzkreislaufs

13 Beispielprojekt Hafencity Hamburg

14 Anlagenaufbau GeoEn-Anlage Fernwärme Energy Manager Dynamisches Heizsystem Statisches Heizsystem (Flächenheizung) Centurion Commercial Center, Hafen-City, Hamburg Gesamt: 450 kw Heizen 570 kw Kühlen GeoSave: 170 kw Heizen 90 kw Kühlen m² Fläche Erdwärme Wärmepumpe Statisches Kühlsystem (Flächenkühlung) Luft 3 Aktivsonden Dynamisches Kühlsystem Trockenkühler Kälteanlage

15 Bohrprofil und Ausbau Aktivsonde (Grundwasserzirkluation über ein Bohrloch) Ruhewasserstand

16 Geo-En Integralsonde: Höchste Leistung durch Grundwasserzirkulation Geringer Bohraufwand und Platzbedarf: Förderung und Einleitung von Grundwasser über nur eine Bohrung Sehr hohe Leistungsdichte: kw pro 50 m². Hohe Effizienz durch direkte Grundwassernutzung: Leistungszahl > 6, Jahresarbeitszahl > 4 (W10/W35) Kein horizontaler Wasser- und Stofftransport im Boden (vertikale Grundwasserzirkulation im Aquifer) Verockerungsffekte durch Design und Prozessführung minimiert Geringer Wartungsaufwand Langjährig erprobt und weiterentwickelt durch Geo-En Schluckbrunnen Pumpe Saugbrunnen

17 Simulation Grundwassertemperaturverlauf Januar Juli März September Mai November

18 Ausschachtung der Baugrube

19 Eindichtung in das Fundament

20 Brunnenstuben

21 Brunnenstube und Aktivsonde

22 Auszeichnungen: Goldmedaille HafenCity und Goldmedaille DGNB Primärenergie / Energiekosten (Jahr) PE Euro Geo-En Heizung + Kühlung 130 MWh Fernwärme + Kompr.-Kälte 255 MWh Einsparungen Geo-En pro Jahr 125 MWh % 100% 51% 40% Primärenegiebedarf Energiekosten Geo-En Heizung & Kühlung Fernw. + Kompressionskälte Fertigstellung 2010; Energiepreise ohne MwSt.: Strom 18 Ct., Fernwärme 6,5 Ct. pro kwh. Emissionsdaten lt. Bundesumweltamt 2008 und BDEW. Vergleich mit Fernwärme und Kompressionskälte (COP 3,0). Geo-En Anlage: JAZ Heizung / Kühlung: 4,3 /

23 Synergien aus Hybridanlagen Herausforderungen Zulässiger Primärenergiebedarf im Neubau bei unterschiedlichen Baualtersklassen in kwh/(m²a) Quelle: Bundesverband Wärmepumpe EnEV/EnWG verpflichten zum Einsatz Erneuerbar Energie Verfügbarkeit Erneuerbare Energie witterungs- und zeitabhängig, Kapazität begrenzt, hoher spezifischer Investitionsaufwand Hohe Kostensensitivität der Gebäudenutzer Lösungsansatz Systemlösungen, d.h. Kombination (lokaler) erneuerbarer Energiequellen und konventioneller Aggregate 0 WSchV 1977 WSchV 1982 WSchV19 95 EnEV 2002/07 EnEV 2009 EnEV 2014 EnEV 2016 Dezentralisierung (vom Großkraftwerk zum Quartier) UND Zentralisierung (vom Objekt zum Quartier) Integrale Optimierung der Wärme-, Kälte-, Stromversorgung 5 Mrd. 4 Mrd. Marktvolumen Hybridanlagen* in Deutschland *Kombinierte Anlagen mit erneuerbarer und konventioneller Energiequelle Quelle: Statistisches Bundesamt, Geo-En Quartiere (Wärmenetze) Büro- und Gewerbebauten Mehrfamilienhäuser (>7 Whg.) Herausforderungen am Beispiel erdgekoppelter Wärmepumpen 3 Mrd. Anzahl Systeme (in Tsd. St.) 12 Wachsendes Auseinanderklaffen von Gas- und Stromtarifen verteuert Wärmepumpe überproportional im Vergleich zu gasbasierten Lösungen 2 Mrd. 8 Effizienz der Wärmepumpe für Trinkwarmwasser (> 65 C) unbefriedigend Wärmepumpe attraktiv bei günstiger Stromversorgung und Niedrigtemperaturabnehmern (z.b. Fußbodenheizung) Lösungsansatz: Versorgung der Wärmepumpe aus Eigenstromerzeugung (BHKW/PV) 1 Mrd. 0 Mrd

24 GeoHybrid: Symbiose aus BHKW und Wärmepumpe Heizen intelligent aufgeteilt zwischen BHKW und Wärmepumpe Hocheffizienter Betrieb Betrieb der Wärmepumpe mit BHKW-Strom Halbierte Betriebskosten Kälte zum Nulltarif durch Passivkühlung Wärmepumpe reversierbar zur Aktivkühlung Bestnoten im Energieausweis BHKW wesentlich kleiner als bei reiner BHKW-Lösung Weniger Geräusch- und CO2-Emission Netzstrom Erdgas GeoHybrid Hybridcontroller BHKW Trinkwarmwasser Heizungswasser Gasbrennwert- Kessel Solarstrahlung Wärmepumpe Kühlwasser Solarabsorber Geothermie- Quellen Optional Wärme Kälte Strom Gas Erdwärme/ Erdkälte

25 Hybrid aus Geothermie, Kraft-Wärme-Kopplung und Solaranlage am Beispiel einer Wohnanlage in Berlin Wohnzeile mit 70 Wohneinheiten Nutzfläche: qm Bauzeit: 2014 bis Ende 2015 Ziel: Energieeffizienzstandard: KfW70 Wärmekosten unter 5 Ct/kWh

26 Hybrid aus Geothermie, Kraft-Wärme-Kopplung und Solaranlage am Beispiel einer Wohnanlage in Berlin System Hybridlösung 100 kw Wärmepumpe 20 Erdwärmesonden 33 kwel BHKW 350 qm Solarabsorber Solarabsorber Vorzüge und Synergien Strom-Eigenerzeugung BHKW-Hochtemperaturwärme für Trinkwarmwasser (Vorerwärmung TWW mit Wärmepumpe) Regeneration Geothermie mittels Solarabsorbern

27 Betriebsdaten des Hybridsystems in Berlin-Pankow Monitoring-Daten zur Wärmebereitstellung Planmäßiger Hybridbetrieb von Wärmepumpe und BHKW Wärmebeitrage: Wärmepumpe 61% (45% Erdwärme, 16% Antriebsenergie), BHKW 36%, Gaskessel 3% Arbeitszahl der Wärmepumpe: 3,7 (inkl. Geothermie-Pumpe) / 3,9 (exkl.) im S0/W40-Betrieb 4% 0% Gaskessel 1% 1% 8% 1% 5% 32% 35% 37% 35% 36% 36% 38% BHKW 64% 65% 63% 65% 56% 63% 57% Geothermie & Wärmepumpe KW 50 KW 51 KW 52 KW 53 KW 1 KW 2 KW

28 Technologievergleich an Beispielprojekt Wohnen

29 GeoHybrid drosselt die Wärmekosten und liefert Kälte zum Nulltarif. Amortisation der Anschaffung in 6 8 Jahren. Gaskessel BHKW Fernwärme GeoHybrid Musterprojekt Wohnanlage 80 T /a 70 T /a Gaskessel + Kälteanlage 60 T /a 50 T /a 40 T /a BHKW, Gaskessel + Kälteanlage Fernwärme + Kälteanlage 30 T /a GeoHybrid 20 T /a 10 T /a 0 T /a Wärmekosten Kältekosten Gaskessel & Kälteanlage BHKW (70 kwel), Gaskessel & Kälteanlage Fernwärme & Kälteanlage GeoHybrid (BHKW (33 kwel), mit Wärmepumpe BHKW: 33 kw_el & Gaskessel) Invest ( 15%)*: 100 T Invest ( 15%)*: 310 T Invest ( 15%)*: 100 T Invest ( 15%)*: 470 T

30 GeoHybrid nutzt Erneuerbare Wärme & Kälte und erhöht den Immobilienwert durch Bestnoten im Energieausweis und günstige KfW-Finanzierungen Gaskessel BHKW Fernwärme GeoHybrid Gaskessel BHKW Fernwärme GeoHybrid Gaskessel BHKW Fernwärme GeoHybrid Endenergie Primärenergie 150% Gaskessel + Kälteanlage 150% Gaskessel + Kälteanlage 100% 50% BHKW, Gaskessel + Kälteanlage Fernwärme + Kälteanlage GeoHybrid 100% 50% BHKW, Gaskessel + Kälteanlage Fernwärme + Kälteanlage GeoHybrid 0% Endenergie CO2-Emissionen 0% Primärenergie Endenergie ausschlaggebend für Energieeffizienzklasse Primärenergie ausschlaggebend für KfW-Einstufung und zinsgünstige Darlehen (KfW 55)

31 Geo-En gewinnt mit dem GeoHybrid-System in Berlin-Pankow den Wettbewerb Klimaschutzpartner des Jahres 2016 Obere Reihe von links Andrea Joras Geschäftsführerin Berlin Partner (Preisträger) Christine Edmaier Präsidentin der Architektenkammer Berlin Christian Gaebler Staatssekretär für Verkehr und Umwelt (Preisträger) Daniel Krüger Bezirksstadtrat Bezirk Schöneberg- Tempelhof

32 Kalte Nahwärmenetze Erneuerbare Fernkälte nahezu zum Nulltarif. Wärme- und Kälteabnahme kompensieren sich, Energie wird eingespart. Ausgleich von Bedarfsspitzen durch Netz Solarwärme kann eingespeist werden, um Effizienz und Klimaschutz noch weiter zu steigern

33 Beispielprojekt Quartier Neubau einer Siedlung in Berlin Zehlendorf Planungsbedingungen 21 Häuser (davon ein Altbau) Hochwertiger Wohnungsbau ca m² beheizte Fläche 650 kw Wärmebedarf, 450 kw Kältebedarf Erdgas- und Stromanschluss, kein Fernwärmeanschluss Anforderungen des Bauherrn Versorgung des Quartiers mit Wärme und Kälte Minimale Betriebskosten der Energieanlage Einsatz von Geothermie zur Wertsteigerung der Immobilie Amortisation der Investition durch Betriebskosteneinsparungen

34 Neubausiedlung Berlin-Zehlendorf Geothermisch gespeistes Kaltnetz mit dezentralen Wärmepumpen Geländeplan mit Wärmeversorgungsschema Sondenfeld Solarabsorber Wärmepumpe Wärmepumpen- Container (unter Straße) Erdwärmesonde Wärmepumpen -Container

35 GeoPV: Hybrid aus Solarthermie und Geothermie am Beispiel des Sonnenhaus Strausberg Wohn- und Geschäftshaus mit 17 Wohneinheiten und Bürotrakt Nutzfläche: qm Bauzeit: 2012 bis Frühjahr 2014 Ziel: Energieeffizienzstandard: KfW55 Deckung von 50 % des Wärmebedarfs durch Sonnenenergie

36 Hybrid aus Solarthermie und Geothermie am Beispiel des Sonnenhaus Strausberg System Hybridlösung aus Solarthermie und Geothermie 200 m² Sonnenkollektoren 60 kw Wärmepumpe Grundwasserzirkulationsanlage Integralsonde (Geo-En) 2 x 36,5 qm Speicher für Heißwasser Wärme Kälte Strom Gas GeoPV Energy Manager Solarthermie 35 qm Speicher Vorzüge und Synergien Netzstrom Wärmepumpe 35 qm Speicher Reduktion Strombedarf durch Grundwassernutzung statt Sonden Maximierung der solarthermischen Bereitstellung von Trinkwarmwasser Geothermie Integralsonde

37 Wärmebereitstellung in 2015 gleichmäßig verteilt auf Solarthermie und Geothermie 57% 25% 6% 5% 34% 44% 59% 68% Solarthermie 82% 85% 88% 65% 40% 18% 12% Anteil von Geothermie und Solarthermie an der Energiebereitstellung Quelle: Geo-En-Monitoringsystem 43% 75% 94% 95% Geothermie & Wärmepumpe 66% 56% 41% 32% 18% 15% 12% 35% 60% 82% 88% Okt 14 Nov 14 Dez 14 Jan 15 Feb 15 Mrz 15 Apr 15 Mai 15 Jun 15 Jul 15 Aug 15 Sep 15 Okt 15 Nov 15 Dez

38 Erfolgsfaktoren für Bau und Betrieb von Hybridsystemen Planung und Ausführung aus einer Hand Präzise Simulationsrechnung zur Auslegung der Systemkomponenten Intelligentes Monitoring- und Steuerungssystem Ingenieursbegleitung von Bau und Betrieb Standardisierung des Systemaufbaus

39 Geo-En Leitstand Geo-En Hybridcontroller BHKW Monitoring Steuerung Wärmepumpe Wärmepumpe Monitoring Steuerung Geothermie Kessel Geothermie Bauteilaktiv. Monitoring Steuerung Monitoring Steuerung LEITSTAND Monitoring Steuerung Betriebsführung Wartung Fernwärme Kälteanlage Fernwärme Geothermie Solar Monitoring Steuerung Speicher Monitoring Steuerung Speicher Monitoring Steuerung Solar Speicher Solar CHP Vessel Wärmepumpe Kessel BHKW Wärmepumpe

40 Warum oberflächennahe Geothermie? Günstigster Langzeit-Speicher für Wärme und Kälte Hocheffiziente klimaschonende Kältequelle für Passivkühlung Umweltenergiequelle für winterlichen Wärmepumpenbetrieb Komfortvorteil durch geräusch- und emissionsfreie Energiebereitstellung Politisch gefördert als Beitrag zur Wärmewende, z.b. Abschlussbericht Neue Energie der Enquete-Kommission des Berliner Abgeordnetenhauses vom :

41 Besuchen Sie unsere Website Ausführliche Vorstellung von mehr als zwanzig Projekten Detaillierte Beschreibung der Geo-En- Produkte und Lösungen Vollständige Darstellung des Leistungsspektrums Termine aktueller Informationsveranstaltungen, Vorträge und Messen