Verfügbarkeit, Potenziale und Wärmequellen. Dipl.-Geol. Rüdiger Grimm

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1 Oberflächennahe Geothermie Verfügbarkeit, Potenziale und Wärmequellen Dipl.-Geol. Rüdiger Grimm

2 Vorstellung Rüdiger Grimm Diplom-Geologe (TU Bergakademie Freiberg) geschäftsführender Gesellschafter der Fa. geoenergie Konzept GmbH Fachplanungsbüro für Erdwärme, gegründet 2007 seitdem planerische Begleitung von ca Projekten Kunden: Projektentwickler, Kommunen, Bohrfirmen, Bauherren Vereine und Organisationen Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.v. (Ressort Geothermie) Geothermische Vereinigung Bundesverband Geothermie e.v. (Vorstand SONG) Verband Beratender Ingenieure (VBI) Förderer Agentur für Erneuerbare Energien HWK Chemnitz / SAENA

3 Unternehmen o Fachplaner für Erdwärme seit 2007 o o o o o o Dimensionierung Sondenfelder Simulation des Untergrundverhaltens Geothermische Testarbeiten Genehmigungsanträge Bauüberwachung Monitoring laufender Anlagen

4 Arten der Geothermie HWK Chemnitz / SAENA

5 Übersicht Geothermie Tiefe GT Mitteltiefe GT Oberflächennahe GT Petrothermie Hydrothermie offen geschlossen Teufenbereich m m m 10-50m m Strom x x Wärme direkt x x x Heizung x x x x Kühlung x x Speicherung (x) x haupsächliche Nutzung Hot Dry Rock Dublette Brunnen Erdwärmesonden Thermalbäder Grubenwasser Kollektoren, Körbe Sondernutzungen Abwasser Direktverdampfer Prominente Soultz-sous-Forêts Unterhaching Neubrandenburg Reichstag Berlin BK Duisburg bei uns Schneeberg Bad Muskau Warmbad Schloss Freudenstein Talstraße 5,7,9 Verbreitung 1x erste Anlagen selten Anlagen Anlagen Festgestein und mächtige ausreichend Thermalwasser- Lokale Aspekte Kluftzonen Grundwassserle Grundwasser keine Anomalie erforderlich iter notwendig benötigt Verfügbarkeit, Vorteile Grundlastfähiger Strom einfach zu erschließen Speicherfähigkeit Nachteile Kosten, Fracking Wirtschaftlichkeit Wartungskosten Genehmigungspraxis

6 Wofür Energie im Haushalt verbraucht? Quelle: BMWi, Stand 2011

7 Erneuerbare Energien in Deutschland

8 Der Wärmemarkt

9 Absatzzahlen Wärmepumpen

10 Anteile Luft & Erde

11 Vergleich Bundesländer 11

12 Top 10 Deutschland (Stand: 2011)

13 Übersicht Wärmequellensysteme

14 Erdwärmesonden Doppel-U, 32 oder 40 mm Material: PE bis 200 m tief Fluid (Wasser-Glykol-Gemisch) thermisch verbesserte Verfüllung gute Verfügbarkeit geringer Flächenbedarf

15 Brunnensysteme Über einen Förderbrunnen wird Grundwasser entnommen und der Wärmepumpe zugeführt, welche dem Wasser die Wärme entzieht. Das um ca. 5 C abgekühlte Wasser wird anschließend in einen Schluckbrunnen zurückgeführt. Zwischen beiden Brunnen sollte ein Abstand von etwa 10 bis 15 Metern eingehalten werden. o Geringe Verfügbarkeit HWK Chemnitz / SAENA

16 Flächenkollektoren Horizontale Verlegung ca. 20 cm unterhalb der Forstgrenze verlegt (ca. 1,0 bis 1,4 m Tiefe) Wie groß ein Erdwärmekollektor sein muss, hängt u.a. von den Speichereigenschaften und der Durchlässigkeit des Erdreichs ab. Gute Verfügbarkeit Hoher Flächenbedarf

17 Temperaturverteilung über die Tiefe 0 10 m saisonal beeinflusst m neutrale Zone ab 50 m geothermische Tiefenstufe

18 Effizienz der Wärmepumpe 1 kwh 3 kwh 4 kwh

19 Bilanzgrenzen für die Arbeitszahlen

20 Fördermittel

21 Heizen und Kühlen Heizen mit WP im Winter Abkühlen des Untergrundes freie Kühlung im Sommer Eintrag bzw. Regeneration Amortisationszeit sinkt hocheffizientes System Kühlung als Extra dazu Untergrundspeicher muss nicht extra gebaut werden

22 7 Schritte zur Erdwärme 1 Energiebedarf ermitteln 2 Untergrund bewerten 3 Machbarkeit betrachten möglicher Abbruch, da nicht machbar 4 Anlage planen 5 Testarbeiten möglicher Abbruch, da ungünstige Untergrundbedingungen 6 Anlage errichten 7 Anlage überwachen HWK Chemnitz / SAENA

23 Planungsschritte nach HOAI

24 Anlagenplanung Simulation der Untergrundtemperaturen Planung des Sondenfeldes

25 VDI 4640, Blatt 2, Tabelle 2 Untergrund Allgemeine Richtwerte: für 1800 h spez. Entzugsleistung für 2400 h Schlechter Untergrund (l <1,5 W/m/K) 25W/m 20 W/m Normales Festgestein und wassergesättigtes Sediment (l =1,5-3,0 W/m/K) 65 W/m 50 W/m Festgestein mit NIRGENDWO l > 3,0 W/m/K steht hier W/m W/m! 70 W/m Einzelne Gesteine: Kies, Sand trocken <25 W/m <20 W/m Kies, Sand wasserführend W/m W/m Ton, Lehm feucht W/m W/m Kalkstein (massiv) W/m W/m Sandstein W/m W/m Saure Magmatite (z.b. Granit) W/m W/m Basische Magmatite (z.b. Basalt) W/m W/m Gneis W/m W/m Starker Grundwasserfluss in Sand/Kies für Einzelanlagen W/m

26 Mythos 50 W/m Begriff stammt aus der VDI 4640 und ist international weit verbreitet W/m bezeichnet eine Entzugsleistung relevant für das Verhalten im Untergrund ist aber die Arbeit (kwh/a) 60 kw x h/a ist nicht gleich 60 kw x h/a W/m ist ein Hilfsinstrument für den Häuslebauer bezieht sich auf ein Muster-Einfamilienhaus Gesteine haben (sehr) unterschiedliche physikalische Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit (Faktor 4) Bandbreite innerhalb eines Gesteins (Faktor 2) Grundwasser in Lockergesteinen (Faktor 6) HWK Chemnitz / SAENA

27 Bandbreite Wärmeleitfähigkeit

28 Datenbanken in Simulationssoftware

29 Thermal Response Test Pilotbohrung erforderlich möglichst in der Tiefe des späteren Feldes Sonde ist ins spätere Feld problemlos integrierbar TRT zur Ermittlung von mittlere Wärmeleitfähigkeit ungestörte Untergrundtemperatur Bohrlochwiderstand 72 h Messzeitraum wesentliche Planungsgrundlage

30 Berechnungsbeispiel 1. Musterhaus EFH 2. Variation von zwei Parametern: 1. Untergrundtemperatur 2. Wärmeleitfähigkeit 3. Bedeutung der Fachplanung 4. Planungsinstrumente

31 Beispiel - Musterhaus Untergrund: Lockersedimente Wärmeleitfähigkeit = 2,0 W/m,K T = 9,0 C 12 MWh/a Heizen & WW 5,0 kw x h/a oder 6,7 kw x h/a Bohrloch: 152 mm Sonde: 32 mm Doppel-U thermisch verbesserte Verfüllung (2,0 W/m,K) Optimum: 1 x 100 m = 50 W/m Grundlast [MWh] JAN FEB MÄR APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ JAN WW Grundlast Heizen Grundlast Kühlen Grundlast gesamt Grundlast Erdseite HWK Chemnitz / SAENA

32 Simulation mit Fachsoftware EED Fluid-Mitteltemperatur [ C] jährl. min-max-fluidtemperatur [ C] JAN FEB MÄR APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ Jahr Jahr Auskühlen im Winter, Regeneration im Sommer Minimum in der Grundlast nicht unter 0 C HWK Chemnitz / SAENA Geringfügiges Absinken in den ersten 5 Jahren Erreichen eines stationären Zustandes danach ausgeglichener Temperaturhaushalt

33 Parameter: Untergrundtemperatur mittlere Temperatur an der Erdoberfläche: 9,0 C Variation des Parameters Temperatur 9,0 C 100 m (50 W/m) 10,0 C 93 m (54 W/m) 11,0 C 86 m (58 W/m) 8,0 C 110 m (45 W/m) Differenz: 3,0 K = 24 m Kosten: 24 m x 50 /m = HWK Chemnitz / SAENA

34 Temperatur-Log HWK Chemnitz / SAENA

35 Parameter: Wärmeleitfähigkeit spezifische Wärmeleitfähigkeit für Sand: trocken 0,4 W/m,K feucht 1,0 W/m,K wassergesättigt 2,4 W/m,K Variation des Parameters Wärmeleitfähigkeit : 2,0 W/m,K 100 m 1,2 W/m,K 132 m(38 W/m) 2,4 W/m,K 89 m (56 W/m) Differenz: 43 m Kosten: 43 m x 50 /m = HWK Chemnitz / SAENA

36 Kombination der Parameter mittlere Temperatur der Erdoberfläche: 9,0 C spezifische Wärmeleitfähigkeit Sand: 2,0W/m,K Variation beider Parameter: 9,0 C + 2,0 W/m,K 100 m 8,0 C + 1,0 W/m,K 148 m (34 W/m) 11,0 C + 2,4 W/m,K 76 m (66 W/m) Differenz: 72 m Kosten: 72 m x 50 /m = HWK Chemnitz / SAENA

37 Einige weitere Parameter Sondentyp Einfach-U 108 m 40er 99 m Sondenabstand Verpressung Bentonit-Zement-Sand 111 m HWK Chemnitz / SAENA

38 Altersstruktur der Gebäude ca. 30 Mio. Altbauten, davon ca. 1 Mio. energetisch saniert Anteil Gebäude im Segment 1949 bis 1978 : 46%

39 Beispiel: 3 MFH Talstraße 5-9 in Freiberg 885 m² Wohnfläche 12 Wohnungen mit 40 Bewohnern 90 kwh/m²*a Baukosten: 1,36 Mio. Mietpreis: 7,10 /m² NK Wärme: 0,25-0,35 /m² Fußbodenheizung, zentrale Warmwasserbereitung 2 Wärmepumpen 37 kw Heizen 20 kw Heizen & Warmwasser

40 Ausgangssituation Zielvorgabe Bauherr: Erneuerbare Wärme Schätzung des Architekten (50 W/m) 75 kw = 50 W/m x m = 15 x 100 m % Unsicherheit = ,2% der Bausumme Heizlastberechnung des Haustechnikplaners 60 kw 48 kw ohne Warmwasser 39 Personen x 0,3 kw = 12 kw Wärmebedarfsermittlung kwh/a (1.330 h/a) kwh/a Heizung kwh/a Warmwasser

41 Vorplanung Machbarkeitsstudie Erdwärmenutzung Untergrund Gneis Wärmeleitfähigkeit: 2,9 W/m,K Schwankungsbreite laut EED: 1,9 4,0 W/m,K Oberflächenkorrigierte Untergrundtemperatur: Freiberg laut EED: 7,7 C Ergebnis EED: 6 x 140 m = 840 m Kostenschätzung: Vorschlag für Pilotbohrung & Testarbeiten danach Präzisierung EED und Ausschreibung

42 Simulation mit Fachsoftware EED

43 Pilotbohrung & Testarbeiten bis Schicht Wärmeleitfähigkeit λ 0,0 W/(m*K) W/Schicht*K 0,2 Mutterboden 0,5 0,00 1,0 Auffüllung, steinig, Ziegel 0,8 0,01 3,0 Gneis, zersetzt 2,6 0,04 6,0 Gneis, verwittert 2,7 0,07 50,0 Gneis, kompakt, trocken 2,8 1,03 120,0 Gneis, kompakt, Kluftwasser 2,9 1,69 120,0 Endteufe mittlere spezifische Wärmeleitfähigkeit λ 2,84 W/(m*K) Randbedingungen der Messung Messzeitraum Gehäuse-Innentemperaturen 17, ,7 C Parameter der Bohrung Sondenlänge nach Bohrdokumentation 120,0 m mittlerer Bohrlochdurchmesser 153 mm Sondentyp Doppel-U; 32 x 2,9 mm Verpressmaterial Stüwatherm Parameter Thermal Response Test mittlere Heizleistung 5211,36 W Heizarbeit 404,59 kwh Durchsatz 22,86 l/min Temperaturspreizung 3,27 K Strömungsregime turbulent

44 Ausführungsplanung Reduzierung der Bohrmeter 6 x 107 m = 640 m Vergleich: m (Architekt) m (Vormodell) Optimierung des Sondenfeldes Hydraulik, Verteiler Präzisierung Kostenschätzung Ausschreibung, Vergabe

45 Kosten Mai 2010 bis November 2011 Strom : kwh Wärme: kwh JAZ = 3,46 Min = 2,8 (08/ nur Warmwasserbereitung) Max = 3,9 (10/2011 Beginn Heizbetrieb) Kosten: kwh x 18 ct/kwh = /885 m² /18 Monate = 0,38 x m²/monat

46 Monitoring (hier: Heizung & WW)

47 Anlagenüberwachung (Monitoring)

48 Anlagenerrichtung

49 Wiesbaden, November 2009 (Arteser) Quelle: Mittelbach, HLUG, rp-online und WIKIMEDIA HWK Chemnitz / SAENA

50 Kamen, 2009 Quelle: WELT HWK Chemnitz / SAENA

51 Staufen, seit HWK Chemnitz / SAENA

52 Leonberg, 2011

53 Genehmigungen/Anzeigen Antrag auf Wasserrechtliche Erlaubnis bei der Unteren Wasserbehörde Anzeige beim Bergamt (wenn > 100m) Anzeige des Erdaufschluss und der Bohrergebnisse beim Geologischen Dienst Berücksichtigung von Umweltaspekten Thermische Auswirkungen auf den Untergrund (Modellierung ab 30 kw) Hydraulische Auswirkungen Bohrtiefenbegrenzungen Berlin: max. Bohrtiefe 99 m Bayern: nur 1. GWL Umweltschutz bei Bohrarbeiten Fachfirma nach DVGW (W 120-2) Spülungszusätze nach DVGW (W 116)

54 Früher: Geologische Karten Quellen: SMUL

55 Heute: Geothermische Potenzialkarten Quellen: SMUL

56 Morgen: Geologische Modelle

57 Mehrschichtmodelle

58 Temperaturfeld-Prognosen

59 Zusammenfassung Mit ca Anlagen pro Jahr stellt die Geothermie bereits heute ein nennenswertes Segment im EE-Wärme-Markt dar. Die Zahlen sind jedoch leicht rückläufig (Schadensfälle, Energiepreise, Genehmigungsprozesse, fehlende Standards). Vor allem der Sanierungsmarkt und der Gewerbebau sind die Felder der Zukunft. Bei der Planung von Erdwärmeanlagen spielen die Untergrundparameter eine wesentliche Rolle in der Dimensionierung und damit für die ökonomischen Randbedingungen. Überdimensionierung bedeutet zu hohe Investitionskosten, Unterdimensionierung zu hohe Betriebskosten. Zur Ermittlung gesteinsphysikalischer Parameter stehen uns neben geologischen Karten, Datenbanken und GIS auch in-situ-testverfahren (TRT, T-Log) zur Verfügung. Die Verwendung von Faustformeln (50 W/m) kommt der Ignorierung der Untergrundverhältnisse gleich und birgt erhebliche Risiken. Erdwärmenutzung und Grundwasserschutz stellen bei sachgemäßer Handhabung der verfügbaren Technik keinen Widerspruch dar (siehe Brunnenbau).

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