Dipl. Geologe Eric Moegle

Transkript

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2 Grundlagen Nutzungsarten Erdgekoppelte Wärmepumpen / Erdwärmesonden Ablauf einer Erdwärmebohrung Überschlägige Ermittlung des Wärmebedarfs Planung / Bemessung von Erdwärmesonden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung / Kundenzufriedenheit Fördermittel Warum Staufen ein Einzelfall ist

3 Grundlagen

4 Notwendig: Energiemix erneuerbare nicht erneuerbare Energien Erneuerbare Energien: -Größter Anteil Wasserkraft -Geothermie an zweiter Stelle Tiefe Geothermie: -Verstromung Oberflächennahe Geothermie: -Heizung u. Kühlung -Wärmespeicherung Unabhängig von Tageszeiten und Witterungsbedingungen

5 Geothermie: Großes Entwicklungspotenzial Potential erdgekoppelte Wärmepumpen: 960 PJ/a. 10% des gesamten Endenergieverbrauches ~ jeder 6. Neubau 2007 mit Erdwärme beheizt, nach der Gasheizung häufigstes Heizsystem 2007 bereits fast jeder dritte Neubau mit erdgekoppelten Wärmepumpen beheizt 2008 : Erdgekoppelte Wärmepumpen Deutschland: ca. 3/2000 Einwohner Schweden : ca. 68/2000 Einwohner

6 Geothermie: Wärmelehre des Erdkörpers Erdwärme: Gespeicherte Energie Resultiert aus: -Strahlungsenergie aus radioaktivem Zerfall in Gesteinen (70%) -Reste der Gravitationsenergie und der Ursprungswärme der Erdentstehung (30%)

7 Geothermischer Gradient: Temperaturzunahme pro 100m Tiefe 3,3 C Die obersten 10-15m unter der Erdoberfläche: Jahreszeitliche Schwankungen Neutrale Zone: 10-20m Tiefe +/- konstante Temp C Aufwärts gerichteten Wärmefluss: Temp. nimmt mit Tiefe kontinuierlich zu Wärmeanomalie Urach: erhöhter geothermischer Gradient 10 C pro 100m

8 Temperatur in 400 m Tiefe >35 C >40 C >45 C Bei normalem geothermischen Gradienten ca in 400 m Tiefe

9 Nutzungsarten

10 Nutzungsarten der oberflächennahe Geothermie Erdwärmekollektoren Energiepfähle Erdwärmesonden Geothermische Brunnenanlagen

11 Erdgekoppelte Wärmepumpen / Erdwärmesonden

12 Erdwärmesonden Geschichte / Entwicklung 1974 Erste Erdwärmesonden Deutschlands in Schönaich 2009 Baden-Württemberg EWS Durchschnittliche Bohrtiefe 93m 1974 installiert durch Gungl-Bohrgesellschaft Doppel-U-Sonde (94%) Einfach-U-Sonde (5%) Koaxial u. Heat-Pipe (1%) Zur Beheizung von Gebäuden braucht man: - Erdwärmesonde (oder Brunnenanlage) - Wärmepumpe - Niedertemperaturheizung (optimal), Radiatorenheizung

13 Vorteile der Erdwärmesonden Konstante Temp. über das ganze Jahr Erdwärme überall vorhanden Technik ausgereift Ideale Energiequelle für Wärmepumpen Lebensdauer > Haus EWS bleibt bestehen, Wertsteigerung d. Grundstücks

14 Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Die Erdwärme wird zur Wärmepumpe transportiert. 75% Erdwärme 25% Strom 100% Heizleistung Die Sole wird in der Wärmepumpe um ca. 4 C abgekühlt. Wird mittels Wärmepumpe (Kompressor) auf Vorlauftemperatur des Heizsystems angehoben. Lebensdauer WP höher als bei Öl- und Gaskesseln. Verdampfer Kompressor Verflüssiger

15 Jahresarbeitszahl (JAZ): Tatsächliche Betriebsbedingungen über einen bestimmten Zeitraum Heizwärme (kwh) Jährlicher Stromverbrauch 100% Heizleistung 25 % Strom = 4 Jahresarbeitszahlen: Wärmequelle: Grundwasser 5,0 Erdreich 4,5 Außenluft 3,3 JAZ drückt aus welcher Bruchteil der Heizarbeit über Stromrechnung bezahlt wird Bsp: Jahresarbeitszahl 4 = ¼ Strom [kwh) von jährlicher Heizarbeit [kwh]

16 Primärenergiefaktor für Strom: 3,0 d.h. für 1 kwh Strom müssen im Kraftwerk 3 kwh aufgewendet werden (Gas, Öl, Atom, etc.) Für einen ökologisch sinnvollen bzw. klimaschonenden Betrieb muss die JAZ also > 3,0 sein Messwerte der Jahresarbeitszahlen an bestehenden Anlagen: Jahresarbeitszahlen: Wärmequelle: Grundwasser 3,0 4,6 Erdreich 3,5 4,5 Außenluft 2,1 2,8

17 Wie viel erneuerbare Energie nutzen Wärmepumpen? Beispiel Kompressions-Wärmepumpen, vereinfachte Betrachtung: - JAZ = 3,0 bis 5,0 - Primärenergiefaktor nicht erneuerbar Strom heute: 2,7 - Primärenergiefaktor nicht erneuerbar Strom 2030: 2,2 (26% reg.) Prozent Direkte geothermische Kühlung erhöht erneuerbaren Anteil deutlich!

18 Ablauf einer Erdwärmebohrung

19 Ablauf einer Erdwärmebohrung Bohrarbeiten Beurteilung der Bohrproben Einbringung der Sonde Setzen des Verteilers

20 Überschlägige Ermittlung des Wärmebedarfs

21 Überschlägige Ermittlung des Wärmebedarfs nach Wohnfläche: - Neubau ca. 50W pro m² beheizte Wohnfläche - Bestand ca. 80W pro m² beheizte Wohnfläche nach Ölverbrauch: - Verbrauch in Litern / 250 = HL in kw Heizöl: ca. 10kWh / L Heizwärmebedarf Erdgas: ca. 9kWh / m³ Steinkohle: 1Ster Fichte: 1Ster Buche: ca. 8kWh / kg ca. 110L Öl ca. 160L Öl

22 Planung / Bemessung von Erdwärmesonden

23 Bemessung Bemessung mit EDV-Simulation Anlagen < 30kW Heizleistung (bis zu 3 Erdwärmesonden) Nach VDI-Norm W / m bei 2400 Betriebsstunden -60W / m bei 1800 Betriebsstunden Maximale Abkühlung: -Grundlast: -11 C -Spitzenlast: -17 C

24 Bemessungskriterien Bei reiner Heizleistung ist eine tiefe EWS günstiger als zwei flache EWS Kleiner Bohrlochdurchmesser wirkt sich günstiger auf die Entzugsleistung aus. Thermisch verbessertes Material bringt ca. 15% mehr Leistung bzw. 15% weniger Erdwärmesondenlänge. Je höher die Wärmeleitfähigkeit, um so größer die Entzugsleistung Fließendes Grundwasser wirkt sich immer positiv auf die Leistung der Erdwärmesonde aus. Je höher Betriebsstunden pro Jahr, um so geringer muss die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe sein.

25 Wärmeübertragung im Bohrloch Bohrlochwiderstand x Spez. Entzugsleistung = Temperaturdifferenz 0,12 K/(W/m) x 50 W/m = 6 K Bentonit-Zement Rücklauf aus der Erde: -4 C Vorlauf in die Sonde: -8 C Wärmeleitfähigkeit Bentonit: 0,6 W/mK Verb. Verfüllmaterial Rücklauf aus der Erde: -1 C Vorlauf in die Sonde: -5 C Temp. Bohrlochrand: 0 C Wärmeleitfähigkeit Verfüllung: 2,0 W/mK 0,06 K/(W/m) x 50 W/m = 3 K Thermisch verbessertes Material bringt ca. 15 bis 25% mehr Leistung!

26 Technisch-physikalische Grenzen von Erdwärmesonden Zwei wesentliche Komponenten der Wärmeübertragung: Wärmetransport ausserhalb der Bohrung: Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit - unbeeinflussbar Wärmetransport innerhalb der Bohrung: Bohrlochwiderstand - beinflussbar Maximal mögliche Entzugsleistung wenn Bohrlochwiderstand = 0 bzw. wenn kein Temperaturverlust zwischen Gestein und Sole - mit Doppel-U-Sonden 60-70% erreichbar (Hellström-Effizienz) - auch Wundersonden können nur Verluste im System weiter minimieren Entzugsleistungen abhängig von definierten Randbedingungen: - minimal zulässiger Soletemperatur (VDI-Norm) - Jahresbetriebstunden/Benutzerverhalten Physikalische Grenzen lassen sich durch Sondenbauarten nicht verschieben

27 Optimierung von Erdwärmesondenfeldern Bsp: 60 KW Heizleistung, 1800 h/a, 108 MWh, Wärmeleitfähigkeit: 2,4 W/mK; ungestörte Untergrundtemp 12,8 C; Bohrlochwiderstand 0,12; JAZ 4,0; Sondenabstand 9 m ; Sondenanordnung 3x4 geschlossenes Rechteck Auslegung mit 60/50 Watt/m: 750/900 m Sondenlänge nach 2-3 Jahren Soletemperatur auf 0 abgefallen Auslegung mit Simulationssoftware zur nachhaltigen Bewirtschaftung des Untergrundes auf z.b. 25 Jahre: 1110 m Sondenlänge o o Anordnung: o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o Sondenlänge o o o o o 1110 m o Sondenabstand: 8 m: 1150 m (+3,6%) 7 m: 1200 m (+8,1%) 6 m: 1250 m (+12,6%) 5 m: 1320 m (+18,9%) 4 m: 1415 m (+ 27,4%) Sondenlänge o 1050 m (-5,5 %) o o Sondenlänge 987 m (- 11,1 %) o o o o o o o o o o o o o Sondenlänge 972 m (-12,5 %)

28 Optimierung von Erdwärmesondenfeldern Bsp: 60 KW Heizleistung, 1800 h/a, 108 MWh, Wärmeleitfähigkeit: 2,4 W/mK; ungestörte Untergrundtemp 12,8 C; Bohrlochwiderstand 0,12; JAZ 4,0; Sondenabstand 9 m ; Sondenanordnung 3x4 geschlossenes Rechteck Anordnung 4 x 3 o o o o o o o o o o o o Temperaturmessung in der Sonde Einfluss der ungestörten Untergrundtemperatur: 11,3 : 12 x 102,65 = 1231,81 m; +10,9 % 11,8 : 12 x 99,01 = 1188,12 m; + 7,6 % 12,3 : 12 x 95,57 = 1146,86 m; + 3,2 % 12,8 : 12 x 92,50 = 1110,00 m; +/- 0 13,3. 12 x 89,54 = 1074,45 m; - 3,3 % 13,8 : 12 x 86,89 = 1042,70 m; - 6,2 % 14,3 : 12 x 84,28 = 1011,37 m; - 9,0 % 14,8 : 12 x 81,83 = 981,95 m; -11,5 % 15,3 : 12 x 79,59 = 955,06 m; -14,0 % 15,8 12 x 77,44 = 929,26 m; -16,3 % 16,3 12 x 75,33 = 903,99 m; -18,5% 16,8 : 12 x 73,35 = 880,18 m; -20,7 % 17,3 : 12 x 71,45 = 857,42 m; -22,8 % 17,8 12 x 69,64 = 835,65 m; -24,7 % 18,3 12 x 67,84 = 814,08 m; -28,5 %

29 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung / Kundenzufriedenheit

30 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Ölbrenner Heizkosten Heizarbeit Wärmebedarf kwh* Ölverbrauch 2200l Brennwert 10kWh/l Wirkungsgrad 90% Strom 450 kwh 0,75 /l 0,18 /kwh Summe Erdgekoppelte Wärmepumpe Stromverbrauch kwh Heizkosten 0,12 /kwh 600 Erdwärme kwh (Jahresarbeitszahl 4,0) (* Neubau 200 m2 x 50 Watt = 10 kw x 2000 h = kwh) (* Bestandsbau 125 m2 x 80 Watt = 10 kw x 2000 h = kwh) kostenlos 0 Einsparung 1131 prozentual 65,34%

31 Würden Sie sich noch einmal für eine Erdwärmeanlage entscheiden? Quelle: BBR-Marktanalyse Geothermie bzw. Umfrage Klimaagentur Baden-Württemberg

32 Was hat Sie überzeugt eine Erdwärmeanlage einzubauen? Quelle: BBR-Marktanalyse Geothermie bzw. Umfrage Klimaagentur Baden-Württemberg

33 Projektbeispiel/Monitoring Wohn- und Geschäftsgebäude, Schönaich, Fa. Wagner; Robert-Bosch-Str qm beheizte Fläche, Raumhöhen 2,80 4,00 m Aussenwände 30cm Porenbeton, Bodenplatte 20cm; 25cm Schotter, Perimeterdämmung Verzicht auf Rolladenkästen; Fensterstürze gedämmt mit 6cm Styropor WLG 0,35 Heizkosten der letzten fünf Jahre 1. Jahr 02/05-02/06: 7016 kwh (877 ) strenger Winter 2. Jahr 02/06-02/07: 6155 kwh (769 ) wärmster Winter seit Jahr 02/07-02/08: 6234 kwh (779 ) sechstwärmster Wint. s Jahr 02/08-02/09: 6808 kwh (851 ) strenger Winter (Aussendämmung im Feb/März 2008) 5. Jahr 02/09-02/10: 6268 kwh (819 ) strenger Winter (kalter Januar) Durchschnittliche Heizkosten: 2,0 /qm u. Jahr

34 Fördermittel

35 Fördermittel für Erdwärmenutzung Marktanreizprogramm Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energie für Sole-Wasser u. Wasser-Wasser-Anlagen: Basisförderung: Innovationsbonus: Neubau 7,5 / m² je WE (max ); 10 / m² wenn 2008 Bauantrag Bestand 20 / m² je WE (max ) > 2 WE u. Nichtwohngeb.: 10% bzw. 15% der Nettoinvestitionskosten (Planung, Bohrung, Sonde, Anbindung, Material, Wärmepumpe, Speicher, Montage) Neubau 15 / m² je WE (max ) wenn JAZ 4,7 erreicht wird Bestand 30 / m² je WE (max )wenn JAZ 4,5 erreicht wird > 2 WE u. Nichtwohngeb.: 15% bzw. 22,5% der Nettoinvestitionskosten bei Wärmeanomalie oder Betrieb mit Wasser rel. leicht erreichbar Kombinationsbonus: 750 pauschal bei Kombination mit Solarthermie z. T. - Zuschüsse von Wärmepumpenhersteller KfW - diverse Zuschüsse und Zinsgünstige Darlehen (Energieeffizient bauen, Energieeffizient sanieren) z. T. Verbilligung der Zinssätze über Landesprogramm Wohnen mit Zukunft - erneuerbare Energie

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37 Verunsicherung privater Bauherren durch wenig fundierte Berichterstattung über Schadensfall Staufen Bauträger und gewerbliche Kunden lassen sich nicht abschrecken Ähnliche Schäden im Großraum Stuttgart durch getroffene Vorsichtsmaßnahmen und andere geologische Verhältnisse nicht zu befürchten Durch Zusammenwirken von Behörden und erfahrenen Erdwärmespezialisten können bedauerliche Einzelfälle wie in Staufen von vorneherein ausgeschlossen werden. Mindestens vier Komponenten zusammengekommen: -Hauptrandstörung ORG (Versatz 3000m) -mehrere verschiedenartige Grundwasserleiter -artesisches Grundwasser (Gipskeuper durchteufen) -feinverteilter Anhydrit (+/- metamorph) -Verfüllung nicht sulfatbeständig Zone D im Leitfaden: engräumig wechselnde bzw. unbekannte Geologie

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