Regeneration von Erdwärmesonden mit Solarwärme
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- Margarethe Böhler
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1 Regeneration von Erdwärmesonden mit Solarwärme GEOTHERMIE.CH Schweizerische Vereinigung für Geothermie Société Suisse pour la Géothermie Informationsstelle Deutschschweiz 8500 Frauenfeld Dr. Roland Wyss Geologe CHGEOLcert/SIA Swissolar, Solar Update Bern, 30. Juni 2016
2 Grundlagen > RegenOpt-Studie. Hochbauamt Stadt Zürich, 2015 > Unterlagen BFE Workshop Erdwärmesondenpotential in dicht bebauten Gebieten, 2015 > Berichte Geowatt, Eugster, Huber etc. > Input Dr. J. Poppei > Diverse Unterlagen GEOTHERMIE.CH
3 Geothermie 99% der Erde ist über 1000 C heiss. Nur 0.1% sind kälter als 100 C.
4 Temperaturverlauf in der Erde
5 Temperaturzunahme mit der Tiefe 3 C pro 100 m Tiefbohrung Siblingen (SH) > 58 C in 1500 m Tiefe
6 Oberflächennahe Erdwärme Jahreszeitliche Beeinflussung in den obersten 5 10 m
7 Erdwärmesonde Duplex-Erdwärmesonde Ø 25 / 32 / 40 / 50 mm PE 100 / PN 16 nahtlos SKZ Würzburg geprüft 100 bis 400 m Tiefe Leistung ca. 40 W/m bei Standardnutzung zum Heizen Lebensdauer > 50 Jahre Hinterfüllung mit Zement- Bentonit-Injektion im Contractorverfahren Abdichtung des Bodens Verhindert die Verbindung verschiedener Grundwasserhorizonte Gewährt einen definierten Wärmeschluss zum Erdreich
8 Quelle: Eugster 2001
9 Nur Heizen mit EWS (Modellrechnung) Solefüssigkeit Minimaltemperatur 12.5 mittlere Soletemperatur (Tein+Taus)/2 [ C] Laufzeit in Jahren Soletemperatur Variante 1 Minimaltemperatur Variante 1 Empfehlung FWS 0/-3 C auf 25 Jahren Grenzbereich signifikante Eisbildung Quelle: Geowatt
10 Heizen und Kühlen mit EWS (Modellrechnung) mittlere Soletemperatur (Tein+Taus)/2 [ C] Solefüssigkeit Minimaltemperatur Grenzbereich signifikante Eisbildung Empfehlung FWS 0/-3 C auf 25 Jahre Laufzeit in Jahren Soletemperatur Grenzbereich signifikante Eisbildung Empfehlung FWS 0/-3 C auf 25 Jahre Minimaltemperatur Dezember Quelle: Geowatt
11 Wärme fliesst auch von der Seite zu Quelle: Rybach & Eugster 2002
12 «Kältetrichter» Quelle: Geowatt
13 EWS-Laufmeter pro Jahr EWS-Laufmeter, kumuliert Oberflächennahe Geothermie in der Schweiz 3'000'000 Verteufte Erdwärmesonden in Laufmeter pro Jahr 30'000'000 2'500'000 25'000'000 2'000'000 20'000'000 1'500'000 15'000'000 1'000'000 10'000' '000 5'000' Jahr Lfm Neubau Lfm Erneuerung LfmTotal Lfm Total, kumuliert Quelle: FWS 2015
14 Daten: Statistik der geothermischen Nutzung in der Schweiz, Ausgabe 2012, Bundesamt für Energie BFE, Bern, 2013; Schweizerische Statistik der erneuerbaren Energien, Ausgabe 2012, Bundesamt für Energie BFE, Bern, 2013; Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz FWS Oberflächennahe Geothermie in der Schweiz Heute werden 80 % aller neuen Gebäude mit Wärmepumpen ausgerüstet, 30% aller Neubauten beziehen ihre Energie aus Erdwärmesonden (EWS). Im Vergleich zum gesamten Nutzwärmebedarf von GWh/a ist die mit EWS-WP erzeugte Nutzwärme noch gering. erneuerbar, EWS-WP; 2'400 GWh/a erneuerbar, sonstige; 14'600 GWh/a Wie gross ist das Ausbaupotenzial von EWS???? nicht erneuerbar; 86'000 GWh/a
15 Beispiel: Erdwärmenutzung in der Stadt Zürich 2013 Total ca EWS bzw EWS-Anlagen im Jahr 2015, Rot: EWS zur Wärmenutzung Blau: EWS zur Wärme- und Kältenutzung Wärmeentzug aus dem Boden: Total ca. 35 GWh/a Bild Manuela Baur, AfS, Stadt Zürich Daten: Daniel Meister, AWEL, Kanton Zürich
16 Grenzen der oberflächennahen Geothermie Gegenseitige Beeinflussung von EWS EWS beeinflussen sich und können sich Wärme gegenseitig abgraben. Ist der Abstand B zwischen zwei einzelnen EWS so gross wie die Sondenlänge H, ist die Beeinflussung vernachlässigbar. Ist B > H/2, ist die Beeinflussung gering (Eskilson, 1987). Mit zunehmender Sondendichte nimmt die Beeinflussung jedoch zu. EWS 3 EWS 4 B = H B = H/2 B = H/2 EWS 2 EWS 1 EWS 2 EWS 1 EWS 2 EWS 1 EWS 5 B H: keine Beeinflussung zwischen zwei Einzelsonden P. Eskilson, Thermal Analysis of heat extraction boreholes, Ph.D. Thesis, Lund Institute of Tecnology, Department of Mathematical Physics, Lund University, Sweden, 1987 B H/2: geringe Beeinflussung zwischen zwei Einzelsonden, EWS 2 verursacht eine zusätzliche Abkühlung T 2 1 bei EWS 1, und umgekehrt B H/2: EWS Jede 7 zusätzliche EWS 6 EWS 3-7 im Abstand B von EWS 1 verursacht die gleiche zusätzliche Abkühlung T bei EWS 1, und umgekehrt. Hier: 6 x T 2 1
17 > Das Kriterium B/H > 0.5 setzt 3D-Verhältnisse voraus > Diese sind nur gegeben bei kurzen EWS > EWS in den gewohnten Länge sind 2D zu betrachten Es werden kürzere Abstände zwischen den Sonden möglich. > Bei Abständen > 20 m ist in 50 Jahren die Beeinflussung nur sehr gering > Es muss sichergestellt sein, dass der Abstand zur Grundstücksgrenze mindestens 10 m beträgt (der nachfolgende hat dann einen Abstand > 20 m zur existierenden EWS) > Geht das aus baulichen Gründen nicht, muss der (spezifische) Entzug um den Betrag reduzieren, der dem Nachbarn verloren geht. Oder: > Die Sonde muss regeneriert werden.
18 Grenzen der oberflächennahen Geothermie Planungsgrundlagen nach SIA Der SIA verlangt, dass die gegenseitige Beeinflussung von EWS-Projekten, d. h. > einerseits die Beeinflussung des eigenen Projektes durch benachbarte EWS-Projekte, > andererseits die Beeinflussung der bereits bestehenden Projekte durch die eigene Anlage, berücksichtigt werden muss: «Bei einer örtlichen Häufung von verschiedenen Projekten ist die gegenseitige Beeinflussung einzurechnen oder durch geeignete Massnahmen (saisonale Nachladung) zu eliminieren.» (Ziffer )
19 Wie kann SIA 384/6 Z angewendet werden? Zwei Extremfälle Eine «nachhaltige» Auslegung von EWS ist möglich, wenn 1. die Abstände zwischen verschiedenen EWS-Projekten so gross sind, sodass die EWS- Anlagen sich nicht gegenseitig beeinflussen (was ein effektiv nur sehr geringes technisch nutzbares geothermisches Potenzial zur Folge hat), 2. der Wärmeentzug mittels aktiver Regeneration ganz oder teilweise kompensiert wird (was ein effektiv sehr hohes Wärmespeicherpotenzial zur Folge hat). Parzellenfläche (PF) EWS (EBF) Energiebezugsfläche (EBF)
20 Wie funktioniert «Aktive Regeneration»? > Standard-EWS-Anlage, nur Wärmeentzug Nutzenergie Strombedarf WP Wärmeentzug aus Boden EWS
21 Solarproduktion Aktive Regeneration > Solare Regeneration Nutzenergie Strombedarf WP Direktnutzung Wärmeentzug aus Boden EWS Solare Regeneration
22 Folgerungen > Freistehende Einzelsonden können «nachhaltig» betrieben werden (Abstand > 20 m). > Nähere Sondenabstände führen zu einer gegenseitigen Beeinflussung. > Nähere Sondenabstände erfordern Massnahmen: Grössere Länge der EWS, aktive Regeneration (passive Regeneration genügt nicht). > Grössere Sondenlängen verschieben das Problem in die Zukunft und sind weniger wirtschaftlich. > Aktive Regeneration mittels Luftwärmetauscher oder mit Sonnenenergie. > Die zu wählende Methode hängt von jeweiligen Projekt ab. > Aktive Regeneration verbessert den Wirkungsgrad der Anlage.
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