Geothermie Geothermie in Hambühren

Transkript

1 Geothermie in Hambühren D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 1

2 Endenergieeinsatz für Wärme im Leitszenario 2011A (einschließlich Stromeinsatz zur Erzeugung von Wärme) [Nitsch et al. 2012] D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 2

3 Struktur der Wärmebereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2013 Quelle: ZSW nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat) D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 3

4 Geothermische Nutzungssysteme D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 4

5 Gebiete mit einem hohen Potenzial für eine geothermische Strom- bzw. Wärmegewinnung [Schulz et al. 2007] D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 5

6 Warum gibt es in Norddeutschland wenig Geothermieprojekte? 2011 Anhörung im Niedersächsischen Landtag zum Thema Geothermie 2012 Niedersächsische Landesregierung beschließt Förderprogramm Tiefe Geothermie Voraussetzung: Qualifizierte Vorstudie D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 6

7 Studie: Geothermische Potenziale im Aller-Leine-Tal Vorzugsregion Hambühren Überdurchschnittliche Untergrundtemperaturen Salzstruktur Wietze-Hambühren Kartengrundlage: LGN, Temperaturdaten: Schulz et al Rhät- und Unterkreide-Sandsteine Schulz & Röhling 2000 Kartengrundlage: LGN, Strukturinformationen: Baldschuhn et al D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 7

8 Studie: Geothermie Potenziale im Landkreis Celle Region Hambühren deutliches Temperaturplus Oberflächennahe Geothermie nur bedingt zulässig Standortvorteil für eine Erschließung über geschlossene Sondensysteme D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 8

9 Studien: Geothermische Potenziale von Salzstrukturen deutliches Temperaturplus Deutlich erhöhte Entzugsleistung D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 9

10 Projektentwicklung Förderantrag für Machbarkeitsstudie Hambühren Zuwendungsbescheid (90%) für Machbarkeitsstudie Hambühren D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 10

11 Geothermische Wärmeversorgung Veranlassung in der Gemeinde Hambühren mittels einer mitteltiefen Erdwärmesonde CO 2 -Reduktion und Klimaschutz potenzielle Abnehmer (Grundschule Oldau, die ev. luth. Kindertagesstätte Ovelgönne, die Gärtnerei Zühlke und mehrerer Einfamilienhäusern) Aufgabenstellung und Zielsetzungen Auswertung aller verfügbarer Daten Erstellen eines geologischen 2D-Modells Prognose der möglichen thermischen Entzugsleistung im langjährigen Betrieb für die gegebenen (hydro-) geologischen, sondenspezifischen und gebäudetechnischen Rahmenbedingungen Umsetzbarkeit einer geothermischen Wärmeversorgung mittels einer mitteltiefen Erdwärmesonde Wirtschaftlichkeit des Vorhabens D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 11

12 Projektpartner, Aufgabenbereiche Gewerke / Aufgabenbereich Ansprechpartner Kapitel Projektleitung, Projektsteuerung Geologie, geothermische Erschließung Sondendesign Sondenmodellierung Anlagentechnik, Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Genehmigungsrecht GeoDienste GmbH Leinestr. 33, Garbsen Prof. Dr. D. Michalzik GeoDienste GmbH Leinestr. 33, Garbsen Prof. Dr. D. Michalzik, Dipl.-Geol. M. Meisel Deep. Underground Engeneering Eyhauser Allee 2a Bad Zwischenahn Dipl. Ing. A. Schmidt, Dipl. Ing. R. Gaertner GeoDienste GmbH Leinestr. 33, Garbsen Dipl.-Geol. M. Gerber, Dipl.-Geol. M. Meisel at-plan-ingenieurbüro Bahnhofstraße Hodenhagen Dipl. Ing. Th. Altmann GeoDienste GmbH Leinestr. 33, Garbsen Dipl.-Geol. M. Meisel 1, 9 2, 3, 7, 3 4 5, 8, D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 12

13 Lage der Wärmeabnehmer in Ovelgönne D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 13

14 Datengrundlage Seismik, Bohrungen, geol. Profile und vorangegangene Studien D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 14

15 Altbergbau über 500 m entfernt Stellt keine Gefährdung des Projektes dar! D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 15

16 Geologisches 2D- Untergrundmodell Lage und Ausbildung des Salzstockrand/-überhang mit Unsicherheiten behaftet D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 16

17 Temperatur-Tiefen-Profile sowie Temperaturdifferenzen in Salzstöcken mit unterschiedlichen Deckgebirgsmächtigkeiten, wobei T1 ein unbeeinflusster Temperaturgradient von 3,5 C entspricht Temperatur-Tiefen-Profile aus Tiefbohrungen interpoliert (GeotIS) und mittels Feflow berechnet im Salzstock bis 1000 m Tiefe überdurchschnittliche Temperaturen (Bartels et al. 2010) D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 17

18 Bohrtechnische Vorplanung Bohrlochkonstruktion entspricht wirtschaftlich kostengünstige Bohrung kathodischer Korrosionsschutzes für Ankerrohrtour als zentrales Steigrohr der Sonde ist ein Faserverbundrohr (Aquatherm Blue Pipe) vorgesehen Volumenstrom im Verhältnis zum Injektionsdruck bzw. Förderpumpenleistung D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 18

19 Bohrlochsicherung für max. 10 bar Kopfdruck Bohrtechnische Vorplanung Berechnung der Kollapsfestigkeit der Rohre D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 19

20 Bohranlage und Bohrplatz Beispiel einer mobilen Bohranlage (Prakla RB 50, Hakenlast 50 t) die bis zu einer saigeren Bohrtiefe von ca m einsetzbar ist und Exemplarischer Aufstellungsplan D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 20

21 Bohranlage und Bohrplatz seitens der Gemeinde vorgeschlagener Flächen Flächen: 1, (3), 6 zu klein 2, (4) zu nah am Salzrand 3, 4 Lärmschutzanforderungen Bohrplatzfläche und Umsturzradius innerhalb der vorgeschlagenen Fläche D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 21

22 Numerische Simulation der Sondenleistung mittels Feflow Räumlicher Modellaufbau für die numerische Simulation Parameter Modelradius Modellbasis Bohrungslänge Außendurchmesser Steigrohr Wandstärke Steigrohr Außendurchmesser Außenrohr Wandstärke Außenrohr Außendurchmesser Zementation Wandstärke Zementation Wärmeleitfähigkeit Stahlcasing Wärmeleitfähigkeit PP-Rohr Wärmeleitfähigkeit Zementation 330 m mnn m 0,11 m 0,01 m 0,1778 m 0,0161 m 0,2159 m 0,019 m 52 W/m/K 0,15 W/m/K 1,6 W/m/K BHE-Modul mit konstanter Temperaturspreizung zwischen Sondenvorund rücklauf sowie konstantem Volumenstrom belegt D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 22

23 Bestimmung des initialen Temperaturfeldes, Anpassung der thermophysikalischen Eigenschaften und Randbedingungen basale Wärmestromdichte an der Modellbasis 142 mw m- 2 Temperatur an der Modellbasis von 51 C D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 23

24 Berechnung der Sondenleistung Verwendete Parameter für die Numerische Simulation Parameter Sondenlänge [m] 1000 Steigrohrmaterial PP Leistung [kw] 90 Wärmeträgerfluid Wasser Temperaturspreizung [K] 6,0 Jährliche Betriebsstunden [h] Sondendurchsatz [m³/h] 13,33 Simulationszeitraum [a] kw über 7 Monate ohne im Sondenrücklauf unter eine Temperatur von 7 C zu gelangen D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 24

25 Einflussbereich des Wärmeentzugs über die Mitteltiefe Koaxialsonde In der Deckschichten des Salzstocks praktisch keine Temperaturbeeinflussung der Umgebung im Salz bis ca. 80 m Entfernung eine geringe Absenkung der Temperatur D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 25

26 Sondenaustrittstemperatur und Sondenleistung Wärmeentzug von konstant 90 kw über 7 Betriebsmonate pro Jahr über einen Zeitraum von 30 Jahren 13,22 C 7,22 C D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 26

27 Leistung-Pumprate-Sondenvorlauftemperatur Leistung [kw] Pumprate [m³/h] Sondenvorlauf- bzw. Wärmepumpenrücklauftemperatur [ C] 65 9,32 12, ,89 7, ,21 2, ,08-1,84 In Abhängigkeit von der Pumprate und der Sondenvorlauf- bzw. Wärmepumpenrücklauftemperatur kann die Leistung der Koaxialsonde deutlich gesteigert werden! D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 27

28 Wärmenutzungskonzept und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 28

29 Zusammenfassende Bewertung Das hohe geothermische Potenzial des Salzstocks bietet grundsätzlich sehr gute Bedingungen für eine geothermische Wärmegewinnung. Die Entzugsleistung oberflächennaher Sonden ist über dem Salzstock deutlich überdurchschnittlich. Eine optimale Nutzung des Wärmepotenzials kann durch mitteltiefe Sonden erfolgen Aufgrund der hohen Investitionskosten ist für mitteltiefe Bohrungen allerdings eine Förderung unabdingbar (MAP oder Land Niedersachsen). Im vorliegenden Fall wirken sich die benötigten hohen Vorlauftemperaturen negativ auf den wirtschaftlichen Betrieb der Wärmepumpe aus. Durch eine veränderte Auslegung, wie sie für moderne Niedrigtemperatursysteme üblich ist, könnte die Wirtschaftlichkeit deutlich verbessert werden D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 29

30 D. Michalzik M. Meisel M. Gerber 30