Erfahrungsbericht Tiefen-Erdwärmesonde Heubach

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1 Erfahrungsbericht Tiefen-Erdwärmesonde Heubach 8. Tiefengeothermie-Forum Hessen 1. Oktober 2013, Institut für Angewandte Geowissenschaften, TU Darmstadt Dr.-Ing. Zijad Lemeš 01. Oktober 2013

2 Der HSE-Konzern und seine Geschäftsfelder HSE Konzern Erzeugung Bau & Betrieb Netze Entsorgung Telko & EDM* Vertrieb & Energiehandel Energieeffizienz Corporate Social Responsibility HSE Stiftung & NATURpur Institut * Telekommunikation und Energiedatenmanagement 2

3 Zahlen und Fakten zum HSE-Konzern 2012 Wirtschaftsdaten Konzernumsatzerlöse 1.972,8 Mio. Mitarbeiterdaten im Jahresdurchschnitt Zahl der Beschäftigten Davon Auszubildende 126 Energie und Trinkwasserabsatz Stromabsatz - davon an Endkunden Erdgasabsatz Gesamtwärmeabgabe 12,6 Mrd. kwh 6,5 Mrd. kwh 8,2 Mrd. kwh 428,8 Mio. kwh Trinkwasserabsatz 13,6 Mio. m³ 3

4 Zahlen und Fakten zum HSE-Konzern 2012 Leitungsnetze Strom km Erdgas km Trinkwasser km Telekommunikation km Entsorgung Gereinigte Abwassermenge 14,3 Mio m³ Müllmenge t Regenerative Energien Investitionsprogramm bis 2015 rd. 1 Mrd. Anlagenleistung in Bau und Betrieb MW 1 Stand Juli

5 Nachhaltige Energieversorgung Eine wettbewerbsfähige und zukunftsträchtige Energieversorgung basiert auf einem abgestimmten Gesamtkonzept von energieeffizientem Verbrauch, dezentraler Energieversorgung und Versorgungsnetzen mit einem kontinuierlich steigenden Anteil an regenerativen Energien. Strom, Gas, Wärme Verbraucher Strom, Wärme Dezentrale Energieversorgung Gas, Strom Netzgebundene Erzeugung Kälte, Druckluft Verbrauchsreduktion, Energieeffizienz, Kompensation Entwicklung, Bau, Contracting Entwicklung, Bau, Betrieb 5

6 Das Objekt Standort: Heubach Produkte: Strahlungsheizungen und -kühlungen Fläche Produktion / Lager: ca m² Fläche Büroräume: ca m² Gebäudedämmung neuester Standard: ca. 30 W/m² auf beheizter Fläche Heizsystem: Niedertemperatur-Deckenheizung 6

7 Exkurs: Deckenstrahlheizungen und -kühlungen Sporthalle Baujahr 1968 Länge 42,75 m Breite 21,68 m Höhe 7,21 m Grundfläche 927 m² Grundfläche mit Nebenräumen m² Energieverbrauch der Liegenschaft vor Sanierung im Mittel mit Warmluftheizung - Elektroenergie im Mittel kwh/a - Heizenergie im Mittel kwh/a Sanierung im Jahre Angestrebte Innentemperatur 20 C Quelle: Frenger Systemen BV (2011) 7

8 Exkurs: Deckenstrahlheizungen und -kühlungen Quelle: Frenger Systemen BV (2011) 8

9 Exkurs: Deckenstrahlheizungen und -kühlungen Energiesparende Hochleistungsdeckenstrahlplatten Quelle: Frenger Systemen BV (2011) 9

10 Das Energiekonzept Anforderungen: - Wärmeleistung P th = 140 kw, Vorlauftemperatur ca. 35 C - Kühlleistung P th = 45 kw, Vorlauftemperatur ca. 17 C Energiebereitstellung auf Basis effizienter und erneuerbarer Technologien: - Tiefe Erdwärmesonde zur Bereitstellung der Wärmeleistung: ca. 800 m - Oberflächennahe Doppel-U-Sonden zur Bereitstellung der Wärme- und der Kühlleistung (passive Kühlung): 8 Sonden mit ca. 900 Sondenmetern - Einsatz von Wärmepumpen zur Anhebung des Temperaturniveaus Leuchtturmprojekt (erste geothermische Tiefbohrung in Hessen) Projekt wird als Entwicklungsvorhaben durch das Land Hessen - Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (HMUELV) aus EFRE-Mitteln gefördert 10

11 Projektkonsortium Projektleitung: HEAG Südhessische Energie AG (HSE) Projektpartner: Frenger Systemen BV - Heiz- und Kühltechnik GmbH Anwender und Multiplikator Viessmann Werke GmbH & Co KG Anwendung und Optimierung Wärmepumpentechnik H. Anger s Söhne Bohr und Brunnenbaugesellschaft mbh Anwendung und Optimierung Bohrtechnik Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie (HLUG) und Universität Kassel Wissenschaftliche Begleitung 11

12 Ganzheitlicher Projektansatz das Projekt soll von der Quelle bis zur Senke ganzheitlich betrachtet werden, es gilt die optimale Lösung unter Einbeziehung aller Gewerke zu erreichen hierzu sollen mehrere Szenarien aufgestellt und die entsprechenden Betriebsparameter ermittelt werden Schnittstelle während der Planung ist die numerische Simulation nach Umsetzung und Inbetriebnahme der Geothermieanlage fließen die realen Betriebsdaten, welche mit Hilfe eines Messkonzeptes erfasst werden zurück in die Simulation um diese zu verbessern und Soll-Ist-Abweichung zu ermitteln auf Basis des angepassten Modells erfolgt die Prüfung der Übertragbarkeit auf andere Standorte und Verbraucher 12

13 Ganzheitlicher Projektansatz Projektleitung und Ideengeber HSE AG Primärseite Sekundärseite geologische und hydrogeologische Parameter Hydraulik Bohr- und Verrohrungsschema Numerische Simulation Lastprofil Wärmepumpen mit Speicher (Betriebsparameter) Lastprofile Heiz- und Kühlbetrieb Klimadaten Anforderung Behaglichkeit Hydraulik und Strömungsverhältnisse Energieverbraucher Messkonzept und CO 2 -Bilanzierung 13

14 Projektziele Projektbasierte Know-how-Entwicklung bei Planung, Auslegung und Betrieb von oberflächennahen und tiefen Erdwärmesonden Weiterentwicklung bestehender numerischer Programme zur Sondenmodellierung Produktentwicklung zur dezentralen Versorgung vor allem infrastrukturell schlecht ausgebauter Standorte (kein Gas- oder Fernwärmenetz) Konzeptionierung einer wettbewerbsfähigen Contractinglösung zur Bereitstellung thermischer Energie (Kälte und Wärme) für Industriestandorte und den Gebäudebestand Identifikation möglicher Kostensenkungspotenziale (z.b. Bohrkosten) 14

15 Funktionsprinzip einer tiefen Erdwärmesonde Tiefe Erdwärmesonde Wärmetauscher Schnitt A-A Zementation Steigrohr A A Liner / Casing Koaxialsonde Quelle: tewag (2011) 15

16 Alleinstellungsmerkmale einer tiefen Erdwärmesonde Vorteile der gewählten Endteufe gegenüber flacheren Systemen: - sehr geringer Platzbedarf durch nur eine Bohrung - aufgrund der hohen Quelltemperatur ist bei indirekter Nutzung (Wärmepumpe) eine höhere Arbeitszahl erreichbar (> 5) - Verwendung von Wasser als Sondenfluid (verbesserte Strömungseigenschaften und erheblicher Beitrag zum Grundwasserschutz) Vorteile der gewählten Endteufe gegenüber tieferen Systemen: - mobile Bohranlage mittlerer Größe zur Niederbringung der Bohrung verwendbar (geringere Bohrplatzgröße und kostengünstigere Bohrplatzeinrichtung) - moderate Bohrkosten aufgrund geringerer Bohrdurchmesser 16

17 Erfahrungen mit der Geothermie in Hessen in Hessen gibt es mehr als genehmigte Erdwärmesondenanlagen davon befinden sich ca. 450 im Landkreis Darmstadt-Dieburg in Heubach sind 2004 am alten Produktionsstandort der Firma Frenger 3 Erdwärmebohrungen erfolgreich durchgeführt und die Anlage in Betrieb genommen worden 17

18 Umgang mit Risiken in dem Projekt Arteser: leicht artesisch gespanntes Grundwasser kann nicht vollkommen ausgeschlossen werden durch die Niederbringung eines Standrohres bei den Bohrungen ist dieses Risiko beherrschbar Erderhebungen: quellfähige Schichten (z.b. mit einem Anteil von Anhydrit oder Tonmineralen) sind auszuschließen Seismizität: bei den Bohrungen und dem Betrieb der Anlage besteht keine Gefahr künstlich ausgelöster Seismizität (bei mehr als niedergebrachter Bohrungen in Hessen wurden keine seismischen Ereignisse registriert) 18

19 Ergebnisse Das variskische Grundgebirge Gebirgsbildung vor ca. 330 Mio Jahren Heubach Verändert nach Franke (2000) 19

20 Ergebnisse Bohrzeit: Januar-Juni 2012 Ort: Groß-Umstadt, ST Heubach Ansatzpunkt: 180 m ü. NHN Teufe: 772,1 m Durchmesser: -35 m: 444 mm 17½ (Meißel) -250 m: 305 mm 12 (Imlochhammerverfahren) -773 m: 216 mm - 8½ (Meißel, Lufthebeverfahren) Kernstrecken: m 772,5-774,9 m 20

21 Ergebnisse Bohrung Heubach 21

22 Ergebnisse Erkenntnisse zur Gewinnung geothermischer Energie Erste in situ Messungen im Kristallin bis in 773 m Tiefe Erste Kerne aus 773 m Tiefe für direkte Analysen Ergebnisse sind relevant für Gebiete mit ähnlichem Untergrund in Hessen und in RP, BW, BY und TH Relativ hohe Temperatur (ca. 38 C) und Wärmeleitfähigkeit (ca. 3,5-4 W/(m*K)) Effektive Wärmeleitfähigkeit 3 W/(m*K) Durchschnittliche ungestörte Bodentemperatur (nach 24 h Zirkulation) 24,45 C Günstige geologische Voraussetzungen zur Gewinnung geothermischer Energie 22

23 Ergebnisse Außentemperatur T / C :00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00 Zeit Wärmeleistung P_th / kw :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 23 Zeit

24 Ergebnisse Außentemperatur T / C :00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00 Soletemperatur 20 T / C :00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00: Oktober 2013 Erzeugung Dr.-Ing. Zijad Zeit Lemeš Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. HEAG Südhessische Energie AG Frankfurter Straße Darmstadt 25