Inhalt der Präsentation:

Transkript

1 Präsentation Erfolgsfaktoren für solare Mikrowärmenetze mit saisonaler geothermischer Wärmespeicherung GEOSOL Präsentation anlässlich des Besuchs von Herrn Bundesminister Dr. Karlheinz Töchterle bei GEOSOL am an der Geologischen Bundesanstalt in Wien AutorInnen: Peter Biermayr (TU-Wien), Gregor Götzl, Julia Weilbold, Anna-Katharina Brüstle, Stefan Hoyer, Martin Fuchsluger (Geologische Bundesanstalt), Gerald Stickler und SchülerInnen (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. Forschungsergebnisse 3. Die Kooperation mit den SchülerInnen 4. Schlussfolgerungen 5. 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) Fallstudien Beiträge der HTL Wr. Neustadt Fallstudien (Erhebungen, Berechnungen) Konzept für ein Feldlabor an der HTL Logo, Projekthomepage 6

4 Forschungsergebnisse GEOSOL Erfolgsfaktoren (Bsp.) Ausgeglichene Netzbilanz Solarwärme / Wärmebedarf. Es sind NT-Wärmeverteilsysteme erforderlich. Der Gesamt-Wärmebedarf im Netz muss einen Schwellwert überschreiten (z.b. mind. 4 EFH). GEOSOL ist für einzelne EFH nur bei bestehender Sonde und Kollektor wirtschaftlich. Angepasste hydraulische Schaltschemen für inhomogene Vorlauftemperaturbedürfnisse. 7 Forschungsergebnisse Einzelsonden ineffizient Sondenfelder Minimal: 1 Lade- u. 3 zusätzliche Entladesonden Grundrissskizze r Sonden 3m Wesentliche Erkenntnisse: Verhältnis Lade- zu Entladesonden: ca. 1:3 Optimaler Sondenabstand: ca. 3 Meter d.h. unproblematisch Gesamt-Speicherwirkungsgrad: >0,8 möglich Hohes Potenzial in der Optimierung der Be- u. Entladestrategien Weitere Verbesserungen durch vertikale Geometrie und Isolation 8

5 Forschungsergebnisse Simulation des Untergrundes (Jahresgang eines 4-Sonden Feldes) 1. Jänner 14. März 26. Mai 7. August 19. Oktober 9 Forschungsergebnisse 1. April Simulation des Untergrundes (Jahresgang eines 4-Sonden Feldes) 1. Juli 1. Oktober 1. Jänner 10

6 GEOSOL-Fallstudien Muggendorf Gutenstein Quelle: Geologische Bundesanstalt Maiersdorf Ternitz Wiener Neustadt Raach am Hochgebirge 11 GEOSOL-Fallstudien Fallstudie Maiersdorf Luftbild: NÖ Landesregierung, NÖ-Atlas 12

7 Fallstudie Maiersdorf Kennwerte der Gebäude/Solaranlagen Gebäude spez. Heizwärmebedarf (kwh/m²a) Kollektorfläche (m²) Kollektorertrag (kwh/a) Gemeindeamt Vereinshaus Kindergarten (Altbau) Kindergarten (Neubau) Fallstudie Maiersdorf Energiebilanz Fallstudie Maiersdorf 14

8 Kooperation mit der Schule Fallstudie Maiersdorf 15 Kooperation mit der Schule Fallstudie Maiersdorf 16

9 Kooperation mit der Schule Schüleruniversität TU-Wien 17 Kooperation mit der Schule Schüleruniversität TU-Wien 18

10 Kooperation mit der Schule Schüleruniversität TU-Wien 19 Kooperation mit der Schule Energietag HTL Wr. Neustadt 20

11 Kooperation mit der Schule Energietag HTL Wr. Neustadt 21 Vorläufige Erkenntnisse Schlussfolgerungen: Die technische Machbarkeit zeichnet sich ab. Geeignete Gebäudestrukturen: NT-WVTS aber mit nicht zu geringem Wärmebedarf (spez. Wärmepreis). Bestimmungen über Temperaturen im Boden werden nur im Nahfeld der Sonde (r<1m) verletzt - Anpassung erforderlich? Die Wirtschaftlichkeit ist durch hohe Investitionsund geringe Betriebskosten gekennzeichnet. Pilot- und Demonstrationsanlage(n) 22

12 Ausblick Wärmebedarf Gebäude 2010/2050 Innovation: Saisonaler Wärmespeicher Solarthermie Winter? 2010 inkl. Brauchwasser 2050 Quelle: Müller et al., 2010, Heizen 2050, klima energie fonds, Nr GEOSOL Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dr. Peter Biermayr, TU-Wien, Informationen im Web: oder 24

13 Methoden Simulation des Modellsystems (unterirdische Komponenten) Analytische Näherungslösungen (stationärer oder periodischer Fall) Grundsätzliche Betrachtungen Finite Volumen Simulationsprogramm (Prof. Bernd Glück, D) Grundsätzliche Betrachtungen Systemvergleich BTES Comsol Multiphysics Testlauf Sondenfeld 3D Betrachtung (erste Tests) DHI-Wasy FEFLOW 3D Betrachtung Sondenfeld Verknüpfung mit TRNSYS? 25 Vorläufige Ergebnisse Wärmenachfrage und -bereitstellung Modell: Gebäude P HZ =10kW, Solarthermie A K =25m 2, Bilanz inkl. Q BW ausgeglichen 26

14 Vorläufige Ergebnisse Wärmespeicherung vs. Wärmeentzug Jahr 1: Wärmespeicherung TVL = 70 C Jahr 2: Wärmeentzug T VL = - 2 ; Einzelsonde! Wärmespeicherung um Faktor 2.5 > als Wärmeentzug Langfristiger Wärmeentzug (Fernfeld) problematisch! Wärmespeicherung im Jahr 1 bewirkt Leistungserhöhung um 30% bei anschließendem Wärmeentzug gegenüber konventionellen Wärmeentzug 27 Vorläufige Ergebnisse Temperaturen im sondennahen Bereich Wechselbetrieb Wärmespeicherung - Wärmeentzug, Simulationsdauer: 5 Jahre Starke Beeinflussung des Untergrundes beschränkt sich auf das direkte Sondenumfeld. In Distanz von 3 Meter Erwärmung des Untergrundes nach 5 Jahren nur ca. 5 C. Sukzessive Aufwärmung des sondennahen Untergrundes infolge des ungenügenden Wärmeentzug während den Heizphasen. 28

15 Vorläufige Ergebnisse Charakteristik der Wärmequelle T mittel = +9 C Histogramm der Temperaturniveaus am Rücklauf der Sonde nach einem und 10 Betriebsjahren. 29 Vorläufige Ergebnisse Speicherwirkungsgrad Einzelsonde gering! η Sp =21% Verlust Oberfläche x T Verlust Boden ablaufende saisonale Wärmewelle x T0 z Verlust Sohle 30

16 Vorläufige Ergebnisse Wirtschaftlichkeit statisch 4 Gebäude, A BGF =850m 2, P HL =38kW, Q tot =71 MWh therm /a Position Einheit GEOSOL dezentraleöl ZH Wärmenetz (100m) Invest Euro Wärmepumpe (60 kw) Invest Euro Solarthermie (100m 2 ) Invest Euro Sonden (4x120m) Invest Euro Ölkessel (4 Stk.) Invest Euro Öltanks (4 Stk.) Invest Euro Stromkosten (WP, P netz., Brenner) Euro/a Ölkosten Euro/a Investitionen total Betriebskosten pro Jahr /a Gesamtkosten pro Jahr (20a) /a Spez. Wärmepreis pro MWh /MWh 96,0 127,3 Achtung: Strompreis (130 /MWh EE ) u. Ölpreis (83 /MWh EE ), jeweils exkl. Ust., als konstant angenommen! 31