Kurzfassung der Bachelor-Thesis

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1 Kurzfassung der Bachelor-Thesis Hochschule für angewandte Wissenschaften und Kunst Fachhochschule Hildesheim Fakultät Bauwesen Fachrichtung Bauingenieurwesen Annkathrin Thielen Mat.-Nr Thema Geotechnische und bauphysikalische Aspekte zur Nutzung von Erdwärme Sommersemester Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Vogel 2. Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Leimer

2 Inhaltsverzeichnis 1 ZUSAMMENFASSUNG ABSTRACT EINLEITUNG GEOLOGISCHE GRUNDLAGEN NUTZUNGSMÖGLICHKEITEN DER GEOTHERMIE NUTZUNG OBERFLÄCHENNAHER ERDWÄRME NUTZUNG DER TIEFENENERGIE KOSTENASPEKTE DER NUTZUNG VON ERDWÄRME BERECHNUNG DES GEBÄUDEENERGIEBEDARFS MIT HILFE VON TRNSYS BERECHNUNG VON ERDSONDEN MITTELS GEOHAND LIGHT SCHLUSSBETRACHTUNG QUELLENVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS

3 1 Zusammenfassung Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es bereits viele verschiedene Möglichkeiten Energie aus den oberflächennahen Schichten der Erde, wie auch aus den Tiefen der Erde, zu gewinnen und Möglichkeiten diese auf verschiedene Art und Weise nutzbar zu machen. Es gibt allerdings viele Ansätze zur Wärmegewinnung, sowie zur Nutzung der Erdwärme, die noch in der Entwicklung sind oder zumindest stetig weiter entwickelt werden. Erdwärme ist insgesamt eine wirtschaftliche, wie auch ökologisch interessante Energiequelle, nicht zuletzt, weil sie nach menschlichem Ermessen einen unendlich langen Zeitraum vorhanden sein wird und weil sie selbst kostenlos ist. Sie bietet die verschiedensten Nutzungsmöglichkeiten, die von der Nutzung tiefer Gewässer als Heilwasser, über die Stromerzeugung, bis hin zur Möglichkeit bereits Einfamilienhäuser durch den zusätzlichen Einsatz einer Wärmepumpe mit der benötigten Heiz- und/oder Kühlleistung auf eine ökonomisch günstige Weise zu versorgen, reichen. 3

4 2 Abstract Today there exist many different possibilities to gain energy from the near-surface of the earth, the same as from the depth of the earth and also diverse possibilities to make the energy useful in different ways. However there exist also many approaches to gain the heat of the earth or ideas to make it useful, which are still in development or which are continuous developed further more. On the whole terrestrial heat is an economical, ecological interesting source of energy, not least because from a human point of view it will exist endless time or because the energy itself is free of cost. This energy offers diverse possibilities of use, which varies from the use of deep water as healing water to power generation to the possibility to power already a one-family house with the required heating power and/or the cooling capacity in an economical advantageous way by using additionally a heat pump. 4

5 3 Einleitung Die fossilen Rohstoffe der Erde, aus denen lange Zeit Energie gewonnen wurde und auch heute immer noch gewonnen wird, werden immer knapper. Gleichzeitig steigt der Energiebedarf auf der Erde immer mehr an. Aus diesem Grund gewinnen regenerative Energien, wie zum Beispiel die Windenergie, die Sonnenenergie und die Erdenergie immer mehr an Bedeutung. Die folgende Arbeit beschäftigt sich mit der Nutzung von Erdwärme, deren Energie auf vielfältige Weise genutzt werden kann. Um die Möglichkeiten der Nutzung zu verstehen, sind zum einen grundlegende Kenntnisse über die Menge der Wärmevorkommen in der Erde nötig und zum anderen Kenntnisse darüber wo und in welcher Form sie in der Erde vorhanden ist. Um die Energie aus dem Erdreich nutzen zu können, muss diese zunächst aus der Erde gewonnen werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Erde die Wärme zu entziehen oder auch Wärme in die Erde einzuleiten. In der folgenden Arbeit werden diese theoretischen Grundlagen der Nutzung von Erdwärme näher erläutert und anschließend an Hand eines Beispiels verdeutlich. Hierbei wurde zunächst mit dem Einsatz des Programms TRNSYS 16 der Energiebedarf eines Gebäudes innerhalb verschiedener Energiestandards berechnet. Um die Möglichkeiten des Einsatzes von Erdsonden zur Abdeckung des Kühlungs- und Heizbedarfs der verschiedenen Gebäude zu berechnen, wurde anschließend das Programm GeoHand light verwendet. 5

6 4 Geologische Grundlagen Der Begriff Geothermie kommt vom griechischen geo = Erde und therme = Wärme und bedeutet zusammen genommen Erdwärme. Bei der Nutzung von Geothermie wird die Eigenschaft der Erde Wärme, sowie auch zugeführte Kälte, zu speichern ausgenutzt. Die Energie, die bereits in Form von Wärme in der Erde gespeichert ist, stammt aus Zeiten der Erdentstehung, aus chemischen Rektionen, sowie aus den die Erde umgebenden Faktoren, wie zum Beispiel der solaren Strahlung, dem Niederschlag oder der Außenlufttemperatur. Einfluss auf das Wärmevorkommen haben ebenfalls das Vorhandensein von Grundwasser, sowie der Aufbau der Erdschichten. Die Temperatur an der Erdoberfläche schwankt je nach Region der Erde, wobei in der Literatur der Wert für Deutschland mit ca. 10 C angegeben wird. Aus Bohrungsmessungen ist bekannt, dass die Temperatur zum Erdinneren hin um ca. 28 C bis 40 C pro Kilometer Tiefe zunimmt. Große Abweichungen von der durchschnittlichen Temperaturzunahme von ca. 30 K je km Tiefe, werden als geothermische Anomalien bezeichnet. Für die Nutzung von Erdwärme sind die Gebiete interessant, bei denen die Temperatur von der Oberfläche in Richtung des Erdkerns stärker ansteigt. Dieses ist in Gebieten zu finden, in denen die tektonischen Platten aufeinander treffen oder in denen Vulkane aktiv sind. 6

7 5 Nutzungsmöglichkeiten der Geothermie Die Nutzungsmöglichkeiten geothermischer Energie hängen von dem ortsabhängigen Energiegehalt der Erde und damit auch von den Erdtemperaturen der zur Nutzung gewünschten Gebiete ab. Oberhalb von 150 bis 170 C können geothermische Wärmevorkommen zur Stromerzeugung verwendet werden, unterhalb dieser Temperaturen zur Nutzung von Heizzentralen, die Nah- und Fernwärme für Haushalte, d. h. Heizung und Brauchwasser liefern oder für Kleinverbraucher, d. h. Gewächshausbeheizung usw. zur Verfügung stellen. Weitere Nutzungsmöglichkeiten sind die Verwendung innerhalb der Industrie, z. B. zur Holztrocknung, sowie die stoffliche Nutzung von Thermalwässern als Bade- und Heilwasser. 7

8 6 Nutzung oberflächennaher Erdwärme Die Bezeichnung oberflächennahe Erdwärme wird aus rechtlichen Gründen bis zu einer Tiefe von 100m verwendet. Da die vorhandenen Temperaturen in diesen Schichten für eine Nutzung zu Heizzwecken zu gering sind, wird in Anlagen zur Nutzung oberflächennaher Erdwärme zusätzlich eine Wärmepumpe verwendet, die die niedrigen, dem Erdboden entzogenen Temperaturen weiter anhebt. Um dem Boden die Energie entziehen zu können, werden Wärmequellenanlagen benötigt. Diese Anlagen werden in geschlossene und offene Systeme unterteilt. Bei einem geschlossenen System strömt das Wärmeträgermedium, das dem Boden die Energie auf Grund der Wärmeleitung entzieht, in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb der Erde durch die verlegten Rohre. Bei diesem Vorgang wird dem Boden Energie entzogen, ohne dass das Wärmeträgermedium direkt mit dem Erdreich in Berührung kommt. Unterschieden wird bei solchen geschlossenen Systemen weiterhin zwischen der Lage der Rohre, in denen das Wärmeträgermedium strömt. Zum einen gibt es horizontale Systeme, die nur wenige Meter unter der Erde verlegt werden. Die möglichen Entzugstemperaturen dieser so genannten Erdkollektoren werden überwiegend aus klimatischen Bedingungen, wie Sonneneinstrahlung und Außenlufttemperatur gewonnen. Die genaue Verlegetiefe dieser Leitungen beträgt 1,20 m bis 1,50 m, so dass der Einfluss des Klimas ausreichend groß ist, das Gefrieren der Leitungen im Winter jedoch verhindert wird. Die folgende Abbildung zeigt die schematische Darstellung einer Erdkollektorenanlage, deren entzogene Temperaturen mit Hilfe einer Wärmepumpe weiter angehoben werden. 8

9 Abbildung 6-1 Schematische Darstellung einer Erdkollektoren-Wärmepumpenanlage 1 Eine weitere Möglichkeit Wärmeentzugsleitungen in der Erde zu verlegen, ist die vertikale Verlegung, bei der Erdsonden in vertikal verlaufende Bohrungen eingebracht werden (siehe Abbildung 6-2). Ein solches System wird ebenfalls als geschlossen bezeichnet, da das Wärmeträgermedium, entsprechend dem des horizontal verlegten Systems, in den Sonden zirkuliert, ohne direkt mit dem Erdboden in Kontakt zu kommen. Im Vergleich mit der Erdkollektoren-Wärmepumpenanlage ist die in der folgenden Abbildung sichtbare Anlage einerseits Platz sparender, andererseits teurer als eine Erdkollektoren-Wärmepumpenanlage, da die Kosten der notwendigen Bohrung die der Tiefbautechnik um einen erheblichen Anteil übersteigen. 1 Quelle: [2], Seite 18 9

10 Abbildung 6-2 Schematische Darstellung einer Erdsonden-Wärmepumpenanlage 2 Als offene Systeme werden die in der folgenden Abbildung sichtbaren Grundwasser- Wärmepumpenanlagen bezeichnet, bei denen das Wärmeträgermedium, welches dem Boden die Wärme entzieht, das Grundwasser selbst ist. Abbildung 6-3 Schema einer Grundwasser-Wärmepumpenanlage 3 Das Grundwasser wird mit Hilfe des Förderbrunnens aus Aquiferen (poröse, stark wasserhaltige Gesteinsschichten) abgepumpt und zur Wärmepumpenanlage 2 Quelle: [2], Seite 17 3 Quelle: [1], Seite 71 10

11 gefördert, in der die dem Boden entzogene Temperatur erhöht wird. Nach dem Wärmeentzug durch die Heizanlage wird das Wärmeträgermedium durch den Schluckbrunnen wieder in das Aquifer geleitet. Da das verwendete Grundwasser keinen geschlossenen Kreislauf durchläuft und selbst als Wärmeträger mit der Wärmequelle, dem Grundwasser in Berührung kommt, wird hier von offenen Systemen gesprochen. Die Brunnentiefen solcher Systeme liegen häufig zwischen 4 und 10 m, wobei durchaus größere Tiefen möglich sind. Der Abstand der beiden beteiligten Brunnen muss groß genug sein, um einen thermischen, sowie hydraulischen Kurzschluss zu vermeiden. Bei der Nutzung einer solchen Anlage für ein Einfamilienhaus wird ein Abstand zwischen 10 und 15 m empfohlen. 11

12 7 Nutzung der Tiefenenergie Unter Tiefenenergie wird die Energie verstanden, die sich unterhalb von 100 m Tiefe in der Erde befindet. Die Temperaturen in diesen sind Schichten sind deutlich höher als in den oberflächennahen 100 m. Es bestehen verschiedene Möglichkeiten die Quelle Tiefenenergie zu erschließen oder zu verwenden, wie zum Beispiel die Nutzung hydrothermaler Erdwärme, die Gewinnung der Erdwärme mittels tiefer Einzelsonden oder die Gewinnung der Energie trockener Gesteinsschichten mit Hilfe des Hot Dry Rock (HDR) Verfahrens. 12

13 8 Kostenaspekte der Nutzung von Erdwärme Die Kosten einer Anlage zur Nutzung von Erdwärme setzen sich aus den Kosten der Wärmequellenerschließung, den für die meisten Systeme anfallenden Bohrkosten und aus den Anlagekosten zusammen, die sich wiederum in Investitionskosten (Kosten der Geräte), Betriebskosten (Kosten für Wartung usw.) und Verbrauchskosten (wie zum Beispiel Strom) unterteilen lassen. Den größten Anteil der Gesamtkosten nehmen die Bohrkosten ein. Aus diesem Grund sind die Gesamtkosten einer solchen Anlage häufig höher als die vergleichbarer, anderer Heizsysteme. Die Amortisationszeit einer Erdwärmenutzungsanlage im Vergleich zu alternativen Heizsystemen, die mit Erdgas oder Erdöl betrieben werden oder einer Solaranlage kann bei bereits 9 Jahre liegen. 13

14 9 Berechnung des Gebäudeenergiebedarfs mit Hilfe von TRNSYS 16 Der Energiebedarf des in den folgenden Abbildungen sichtbaren Gebäudes wurde mit Hilfe des Programms TRNSYS 16 berechnet. Abbildung 9-1 Ansicht Gebäude Nord Abbildung 9-2 Ansicht Gebäude Süd TRNSYS 16 ist ein Programm zur dynamischen Gebäude- und Anlagensimulation. Mit Hilfe dieses Programms kann das Verhalten von Systemen zur Energiegewinnung, vor allem von solaren Energiesystemen simuliert werden. Aus diesem Grund wird das Programm häufig zur Energiekonzeptentwicklung oder auch bewertung heran gezogen. Da das Programm die Möglichkeit bietet, die Eingaben des Gebäudes zu variieren, wurde der Energiebedarf bzw. der Aufbau des Gebäudes in den drei Energiestandards Niedrigenergie, KfW 60 und KfW 40 berechnet. 14

15 Folgende Werte für die nötige Heiz- und Kühlleistung der Gebäude wurden mit dem Programm berechnet. Heizleistung [kwh] Kühlleistung [kwh] Gesamtleistung [kwh] Niedrigenergiehaus , ,9 KfW 60-Haus , ,1 KfW 40-Haus

16 10 Berechnung von Erdsonden mittels GeoHand light Das Programm GeoHand light wurde im Rahmen eines Projektes von der Hochschule Biberach entwickelt und ermöglicht das Berechnen der Leistung einer Erdwärmesonde auf Grund von vom Benutzer definierten Eingabeparametern. Folgende Parameter wurden der durchgeführten Berechnung zu Grunde gelegt: Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches: λ= 2,0 W/(m K) (Sand) Bohrlochwiderstand: 0,1 m (K/W) Bohrlochradius: 0,1 m spezifische Entzugsleistung aus dem Boden: 55 W/m Anzahl der Sonden: 1 zusätzlich verwendete Wärmepumpenleistung: 5,5 kw Aus der Berechnung und dem daraus resultierenden Ergebnis ist zu erkennen, dass der Energiebedarf jedes berechneten Energiestandards des Gebäudes mit Hilfe einer Erdsonde abgedeckt werden kann. Unterschiede ergeben sich in der benötigten Sondenlänge, sowie der daraus resultierenden Gesamtleistung der Anlage und der benötigten Temperatur des Wärmeträgermittels unter der eines Punktes in der Erde, um dem Boden die benötigte Energie zu entziehen. Die folgende Tabelle stellt die Ergebnisse der drei Berechnungen getrennt nach den Berechnungen der Erdsonde zum Abdecken der Heizleistung (Heizen) und der Kühlleistung (Kühlen) gegenüber: Niedrigenergiehaus KfW 60-Haus KfW 40-Haus Sondenlänge [m] benötigte Gesamtleistung 10,26 8,37 5,17 (Heizen) [kw] benötigte Gesamtleistung 0,46 0,54 0,83 (Kühlen) [kw] vorhandene Gesamtleistung 11,00 9,90 8,25 [kw] Temperatur (Heizen) [K] -22,0-21,8-20,9 Temperatur (Kühlen) [K] 12,4 12,5 13,3 16

17 Die benötigte Gesamtleistung bezeichnet den Energiebedarf des Gebäudes dividiert durch die Jahresbetriebsstundenanzahl der Anlage. Die vorhandene Gesamtleistung hingegen bezeichnet jeweils die auf Grund der verwendeten Sonde mögliche Entzugsleistung der Wärme aus dem Erdreich plus die zusätzlich eingesetzte Pumpenleistung, dividiert durch die Jahresbetriebsstundenanzahl der Anlage. 17

18 11 Schlussbetrachtung Diese Bachelor-Thesis fasst den aktuellen Stand der Möglichkeiten zur Bereitstellung und Nutzung von Geothermie zusammen. Diese aus den letzen Jahren resultierende Entwicklung dauert immer noch an und wird wahrscheinlich noch einige Jahre in Anspruch nehmen. Der jetzige Entwicklungsstand reicht bereits aus, ein Einfamilienhaus auf wirtschaftliche Weise mit Erdwärme zu versorgen, welches durch die durchgeführten Berechnungen mit Hilfe des Programms TRNSYS 16 und GeoHand light ersichtlich wird. 18

19 12 Quellenverzeichnis [1] Kaltschmitt, W., Huenges, E., Wolff, H.. (1999). Energie aus Erdwärme. Stuttgart: Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie (DVG). [2] Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen. (Oktober 2004). Merkblätter 48, Wasserwirtschaftliche Anforderungen an die Nutzung von oberflächennaher Erdwärme. Essen. 19

20 13 Abbildungsverzeichnis Abbildung 6-1 Schematische Darstellung einer Erdkollektoren- Wärmepumpenanlage...9 Abbildung 6-2 Schematische Darstellung einer Erdsonden-Wärmepumpenanlage.10 Abbildung 6-3 Schema einer Grundwasser-Wärmepumpenanlage...10 Abbildung 9-1 Ansicht Gebäude Nord...14 Abbildung 9-2 Ansicht Gebäude Süd