Geothermie eine nachhaltige Energienutzung?!

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1 Bad Kötzting Geothermie eine nachhaltige Energienutzung?! Prof. Dr. Simone Walker-Hertkorn Das Kraftwerk Erde Inhalte Vorstellung Grundlagen zur Erdwärmenutzung Projektablauf Beispiele Vorprüfungen/Genehmigung Planung Bemessung gemäß VDI 4640 (Stand der Richtlinie VDI 4640, Thermische Nutzung des Untergrundes) Thermal-Response Test Ausführungsplanung / Hydraulische Betrachtungen 1

2 Wer bin ich?!? Stahl, einwandig Temperaturgrenze Temperaturverlauf 70 Kunststoff Stahl, isoliert Temperatur [ C] Zeit [Tage] ,3 steiles Profil Relativer Anteil [-] 0,25 moderates Profil konstantes Profil 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Monate m³/h m³/h 30 m³/h 40 m³/h Leistung [kw] / Arbeit [MWh/a] Druckverlust [bar] m³/h /2'' 3'' 4'' Produktions Tubing (Steigleitung GFK 2000 psi) 5'' 1600,0 Netto-Wärmearbeit (Urach 4) 1400,0 Netto-Wärmearbeit (Urach 3) 1200,0 Netto-Entzugsleistung (Urach 4) 1000,0 Netto-Entzugsleistung (Urach 3) 800,0 600,0 400,0 200,0 0, Sondentiefe [m] Nachhaltigkeit! Die Gemeinsamkeit aller Nachhaltigkeitsdefinitionen ist der Erhalt eines Systems bzw. bestimmter Charakteristika eines Systems, sei es die Produktionskapazität des sozialen Systems oder des lebenserhaltenden ökologischen Systems. Es soll also immer etwas bewahrt werden zum Wohl der zukünftigen Generationen. Quelle: Bernd Klauer: Was ist Nachhaltigkeit?

3 Eine zentrale Frage im 21.Jahrhundert Nachhaltige Energiesysteme Klimaschonend Niedrige Emission Geringe Umweltbelastung Ressourcenschonend Reduzierter Primärenergiebedarf Ökonomisch Sichere Versorgung bezahlbar Klimaschonend Ressourcenschonend Ökonomisch Eine zentrale Frage im 21.Jahrhundert Geothermie ist ein Teil der Antwort Nesjavellir, Island Erdwärmekraftwerk 3

4 Marktanteile EE EE - Stromerzeugung Leistungsbereitstellung 2012 der 5 geothermischen Kraftwerke 4

5 EE - Stromerzeugung Quelle: (Sterner et al, 2010) Marktanteile Wärmeerzeugung EE 5

6 EE Wärmeerzeugung - Aufteilung Geothermie bietet Lösungen Brunnenanlagen/ Grundwasser Erdsonden Thermalwasser Erdkollektoren Hot Dry Rock Grubenwassernutzung 99% > C Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der festen Oberfläche der Erde 6

7 Hydrothermale Geothermie - Grundprinzip Thermalwasserförderung Produktionsbohrung Injektionsbohrung Quelle: Geothermie Unterhaching GmbH & Co KG (modifiziert) Enhanced Geothermal System (EGS) 7

8 Erdreichkollektor 0,4 bis 0,5 m (Quelle: Bundesverband Wärmepumpe) Erdwärmekorb Quelle: Fa. Rehau - Serienschaltung (Quelle: Bundesverband Wärmepumpe) 8

9 Grundwasser Wärmequelle - Brunnenanlage Pump-/Injektionsversuch an einem Probebrunnen bzw. einem bestehenden Brunnen (Quelle: Bundesverband Wärmepumpe) Chemische Wasseranalyse Machbarkeit: Ja/Nein? Erdgekoppelte Wärmepumpensysteme elektrische Energie Verdichter Saugleitung (Arbeitsmedium gasförmig) Druckleitung Vorlauf Heizwärme Umweltwärme Verdampfer Expansionsventil Verflüssiger Rücklauf Einspritzleitung Flüssigkeitsleitung (Arbeitsmedium flüssig) (Quelle: Bundesverband Wärmepumpe) Mehrere Komponenten müssen eine Einheit bilden 9

10 Woher kommt die Energie? Geothermie - Erdwärme Die Temperatur im Erdkern muss im Bereich zwischen 4500 und 6500 C liegen, da der äußere Kern verschmolzen ist. Aber woher kommt diese Wärme? Der radioaktive Zerfall reicht nicht aus, um die Erdkruste zum Schmelzen zu bringen. Es wird geschätzt, dass % der Wärme aus dem ersten Prozent der geologischen Zeit stammen. Die Wärme wurden aus der Energie von Akkretion (Anwachsen aufgrund von Gravitation), Kernbildung und späteren Meteoriten Einschlägen umgewandelt. Seither wärmt die Erde aus dem Guthaben dieser Zeit, wobei sie nur sehr langsam abkühlt. Planungsbüro für Erdwärmesystemec 10

11 Temperaturverlauf im Untergrund Quelle: Gebäudekühlung über Erdreichwäremtauscher-Passive Kühlkonzepte Dipl.-Ing. Ernst Blümel / Flache Geothermie Nicht nur der Untergrund muss berücksichtigt werden Know-How wird benötigt Einfluss des Untergrundes Einfluss des Sondenmaterials 11

12 Flache Geothermie Wärmeinhalt des Untergrundes T: Temperatur c p : Wärmekapazität Untergrund c p,f : Wärmekapazität Fluid ρ: Dichte Untergrund ρ f : Dichte Fluid λ: Wärmeleitfähigkeit v: Geschwindigkeit Know-How wird benötigt Projektabwicklung Oberflächennahe Geothermie Machbarkeit Genehmigungsfähigkeit Genehmigungsrechtliche Auflagen Bewertung der geothermischen und bohrtechnischen Standortbedingungen Vorplanung Kostenschätzung Erkundung Probebohrung Feldmessungen Erneute Bewertung der geothermischen und bohrtechnischen Standort verhältnisse Realisierbar? KO ja nein Realisierbar? Know-How wird benötigt nein ja Umsetzung Entwurfsplanung Genehmigungsplanung Ausführungsplanung Ausschreibung Bauüberwachung Dokumentation KO 12

13 Komplexes Zusammenspiel Quelle: Prof. Werner Schenk Ganghofersiedlung Regensburg 140 Einfamilienhäuser ca. 1,4 MW Gesamtheizleistung passive Kühlung Erdwärmesondenfeld mit ca. 500 Bohrungen zwischen 60 und 90 m Tiefe Temperaturverteilung im Untergrund für den Monat Januar im 25. Betriebsjahr: 10 Bas is Reinhaus ene r S chichten, 1800 h/a y-ric htung [m] x-richtung [m]

14 Kreiskrankenhaus Nürtingen Klinikzentrum: kw Heizlast 100 kw Kühllast 450 MWh/a Jahresheizenergie 450 MWh/a Jahreskühlenergie 300 Energiepfähle mit 10 m Länge Energiepfahlanlage zur Grundlastdeckung y-richtung [m] Teil 01 Teil 02 Teil Teil 07 Pfähle Verteiler Teil 04 Fluid temperature C outlet fluid temperature in the boreholes Outlet Inlet Teil 05 Teil x-richtung [m] th operation year Helixsondenfeld Robatherm 200 kw Heizleistung 54 kw Kühlleistung 216 Helixsonden 25 Betrieb der Anlage mit T VL/RL < 0 C Fluid temperature C Inlet Outlet th operation year 14

15 Tiefe Erdwärmesonde Schacht Auguste Victoria Marl ca. 60 kw Heizleistung der Wärmepumpe Tiefe Erdwärmesonde mit 700 m, DA 90mm Doppel-U-Sonde am Stück Recycling einer ehemaligen Schachtanlage Sonnenberg Ludwigsburg 200 kw Heizleistung der Wärmepumpe Regeneration des Sondenfeldes über Blockheizkraftwerk Erdwärmesondenfeld mit 50 Bohrungen à 115 m bivalenter Betrieb ( 15

16 Kalte Fernwärme Bonner Bogen 12 Hektar Fläche, ehem. Portland Zementwerk m² Mietfläche, m² Bürofläche 40 Firmen Grundwasser-Wärmepumpe und Aquiferspeichersystem (Quelle: ISH Stawiarski, 2011). Kalte Fernwärme Campus Hönggerberg Campus Hönggerberg der ETH Zürich (Amstein + Walthert 2012). 16

17 Zufriedenheit des Verbrauchers Quelle: bbr-sonderheft:marktanalyse Erdwärme 17

18 Entscheidungsgründe Quelle: bbr-sonderheft:marktanalyse Erdwärme Energie der Erde In der Erde steckt ein riesiges Energiepotential Dies birgt aber auch Gefahren 18

19 Vielen Dank! Technologie Erdwärmeanlagen Umwelttechnik GmbH Am Haag Starzach-Felldorf w w w. t e w a g. d e info@tewag.de 19