Oberflächennahe Geothermie

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1 Oberflächennahe Geothermie Verfügbarkeit, Potenziale und Wärmequellen Dipl.-Geol. Rüdiger Grimm

2 Vorstellung Rüdiger Grimm Diplom-Geologe (TU Bergakademie Freiberg) geschäftsführender Gesellschafter der Fa. geoenergie Konzept GmbH Fachplanungsbüro für Erdwärme, gegründet 2007 seitdem planerische Begleitung von ca Projekten Kunden: Projektentwickler, Kommunen, Bohrfirmen, Bauherren Vereine und Organisationen Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.v. (Ressort Geothermie) Geothermische Vereinigung Bundesverband Geothermie e.v. (Vorstand SONG) Verband Beratender Ingenieure (VBI) Förderer Agentur für Erneuerbare Energien HWK Dresden / SAENA

3 Unternehmen o Fachplaner für Erdwärme seit 2007 o o o o o o Dimensionierung Sondenfelder Simulation des Untergrundverhaltens Geothermische Testarbeiten Genehmigungsanträge Bauüberwachung Monitoring laufender Anlagen

4 Arten der Geothermie HWK Dresden / SAENA

5 Übersicht Geothermie Tiefe GT Mitteltiefe GT Oberflächennahe GT Petrothermie Hydrothermie offen geschlossen Teufenbereich m m m 10-50m m Strom x x Wärme direkt x x x Heizung x x x x Kühlung x x Speicherung (x) x haupsächliche Nutzung Hot Dry Rock Dublette Brunnen Erdwärmesonden Thermalbäder Grubenwasser Kollektoren, Körbe Sondernutzungen Abwasser Direktverdampfer Prominente Soultz-sous-Forêts Unterhaching Neubrandenburg Reichstag Berlin BK Duisburg bei uns Schneeberg Bad Muskau Warmbad Schloss Freudenstein Talstraße 5,7,9 Verbreitung 1x erste Anlagen selten Anlagen Anlagen Festgestein und mächtige ausreichend Thermalwasser- Lokale Aspekte Kluftzonen Grundwassserle Grundwasser keine Anomalie erforderlich iter notwendig benötigt Verfügbarkeit, Vorteile Grundlastfähiger Strom einfach zu erschließen Speicherfähigkeit Nachteile Kosten, Fracking Wirtschaftlichkeit Wartungskosten Genehmigungspraxis

6 Wofür Energie im Haushalt verbraucht? Quelle: BMWi, Stand 2011

7 Der Wärmemarkt

8 Absatzzahlen Wärmepumpen

9 Anteile Luft & Erde

10 Vergleich Bundesländer 10

11 Übersicht Wärmequellensysteme

12 Erdwärmesonden Doppel-U, 32 oder 40 mm Material: PE bis 200 m tief Fluid (Wasser-Glykol-Gemisch) thermisch verbesserte Verfüllung gute Verfügbarkeit geringer Flächenbedarf

13 Brunnensysteme Über einen Förderbrunnen wird Grundwasser entnommen und der Wärmepumpe zugeführt, welche dem Wasser die Wärme entzieht. Das um ca. 5 C abgekühlte Wasser wird anschließend in einen Schluckbrunnen zurückgeführt. Zwischen beiden Brunnen sollte ein Abstand von etwa 10 bis 15 Metern eingehalten werden. o Geringe Verfügbarkeit HWK Dresden / SAENA

14 Flächenkollektoren Horizontale Verlegung ca. 20 cm unterhalb der Forstgrenze verlegt (ca. 1,0 bis 1,4 m Tiefe) Wie groß ein Erdwärmekollektor sein muss, hängt u.a. von den Speichereigenschaften und der Durchlässigkeit des Erdreichs ab. Gute Verfügbarkeit Hoher Flächenbedarf

15 Temperaturverteilung über die Tiefe 0 10 m saisonal beeinflusst m neutrale Zone ab 50 m geothermische Tiefenstufe

16 Effizienz der Wärmepumpe 1 kwh 3 kwh 4 kwh

17 Bilanzgrenzen für die Arbeitszahlen

18 Fördermittel

19 Heizen und Kühlen Heizen mit WP im Winter Abkühlen des Untergrundes freie Kühlung im Sommer Eintrag bzw. Regeneration Amortisationszeit sinkt hocheffizientes System Kühlung als Extra dazu Untergrundspeicher muss nicht extra gebaut werden

20 7 Schritte zur Erdwärme 1 Energiebedarf ermitteln 2 Untergrund bewerten 3 Machbarkeit betrachten möglicher Abbruch, da nicht machbar 4 Anlage planen 5 Testarbeiten möglicher Abbruch, da ungünstige Untergrundbedingungen 6 Anlage errichten 7 Anlage überwachen HWK Dresden / SAENA

21 Planungsschritte nach HOAI

22 Energiebedarfskurven

23 Anlagenplanung Simulation der Untergrundtemperaturen Planung des Sondenfeldes

24 VDI 4640, Blatt 2, Tabelle 2 Untergrund spez. Entzugsleistung für 1800 h für 2400 h Allgemeine Richtwerte: Schlechter Untergrund (l <1,5 W/m/K) 25W/m 20 W/m Normales Festgestein und wassergesättigtes Sediment (l =1,5-3,0 W/m/K) 65 W/m 50 W/m Festgestein mit l > 3,0 W/m/K 84 W/m 70 W/m Einzelne Gesteine: NIRGENDWO steht hier 50 W/m! Kies, Sand trocken <25 W/m <20 W/m Kies, Sand wasserführend W/m W/m Ton, Lehm feucht W/m W/m Kalkstein (massiv) W/m W/m Sandstein W/m W/m Saure Magmatite (z.b. Granit) W/m W/m Basische Magmatite (z.b. Basalt) W/m W/m Gneis W/m W/m Starker Grundwasserfluss in Sand/Kies für Einzelanlagen W/m

25 Mythos 50 W/m Begriff stammt aus der VDI 4640 und ist international weit verbreitet W/m bezeichnet eine Entzugsleistung relevant für das Verhalten im Untergrund ist aber die Arbeit (kwh/a) 60 kw x h/a ist nicht gleich 60 kw x h/a W/m ist ein Hilfsinstrument für den Häuslebauer bezieht sich auf ein Muster-Einfamilienhaus Gesteine haben (sehr) unterschiedliche physikalische Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit (Faktor 4) Bandbreite innerhalb eines Gesteins (Faktor 2) Grundwasser in Lockergesteinen (Faktor 6) HWK Dresden / SAENA

26 Bandbreite Wärmeleitfähigkeit

27 Datenbanken in Simulationssoftware

28 Thermal Response Test Pilotbohrung erforderlich möglichst in der Tiefe des späteren Feldes Sonde ist ins spätere Feld problemlos integrierbar TRT zur Ermittlung von mittlere Wärmeleitfähigkeit ungestörte Untergrundtemperatur Bohrlochwiderstand 72 h Messzeitraum wesentliche Planungsgrundlage

29 Berechnungsbeispiel 1. Musterhaus EFH 2. Variation von zwei Parametern: 1. Untergrundtemperatur 2. Wärmeleitfähigkeit 3. Bedeutung der Fachplanung 4. Planungsinstrumente

30 Grundlast [MWh] Beispiel - Musterhaus Untergrund: Lockersedimente Wärmeleitfähigkeit = 2,0 W/m,K T = 9,0 C 12 MWh/a Heizen & WW 5,0 kw x h/a oder 6,7 kw x h/a Bohrloch: 152 mm JAN FEB MÄR APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ JAN gfedcb gfedcb gfedcb gfedcb gfedcb WW Grundlast Heizen Grundlast Kühlen Grundlast gesamt Grundlast Erdseite Sonde: 32 mm Doppel-U thermisch verbesserte Verfüllung (2,0 W/m,K) Optimum: 1 x 100 m = 50 W/m HWK Dresden / SAENA

31 Fluid-Mitteltemperatur [ C] jährl. min-max-fluidtemperatur [ C] Simulation mit Fachsoftware EED JAN FEB MÄR APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ Jahr Jahr Auskühlen im Winter, Regeneration im Sommer Minimum in der Grundlast nicht unter 0 C HWK Dresden / SAENA Geringfügiges Absinken in den ersten 5 Jahren Erreichen eines stationären Zustandes danach ausgeglichener Temperaturhaushalt

32 Parameter: Untergrundtemperatur mittlere Temperatur an der Erdoberfläche: 9,0 C Variation des Parameters Temperatur 9,0 C 100 m (50 W/m) 10,0 C 93 m (54 W/m) 11,0 C 86 m (58 W/m) 8,0 C 110 m (45 W/m) Differenz: 3,0 K = 24 m Kosten: 24 m x 50 /m = HWK Dresden / SAENA

33 Temperatur-Log HWK Dresden / SAENA

34 Parameter: Wärmeleitfähigkeit spezifische Wärmeleitfähigkeit für Sand: trocken 0,4 W/m,K feucht 1,0 W/m,K wassergesättigt 2,4 W/m,K Variation des Parameters Wärmeleitfähigkeit : 2,0 W/m,K 100 m 1,2 W/m,K 132 m(38 W/m) 2,4 W/m,K 89 m (56 W/m) Differenz: 43 m Kosten: 43 m x 50 /m = HWK Dresden / SAENA

35 Kombination der Parameter mittlere Temperatur der Erdoberfläche: 9,0 C spezifische Wärmeleitfähigkeit Sand: 2,0W/m,K Variation beider Parameter: 9,0 C + 2,0 W/m,K 100 m 8,0 C + 1,0 W/m,K 148 m (34 W/m) 11,0 C + 2,4 W/m,K 76 m (66 W/m) Differenz: 72 m Kosten: 72 m x 50 /m = HWK Dresden / SAENA

36 Einige weitere Parameter Sondentyp Einfach-U 108 m 40er 99 m Sondenabstand Verpressung Bentonit-Zement-Sand 111 m HWK Dresden / SAENA

37 Altersstruktur der Gebäude ca. 30 Mio. Altbauten, davon ca. 1 Mio. energetisch saniert Anteil Gebäude im Segment 1949 bis 1978 : 46%

38 Beispiel: 3 MFH Talstraße 5-9 in Freiberg 885 m² Wohnfläche 12 Wohnungen mit 40 Bewohnern 90 kwh/m²*a Baukosten: 1,36 Mio. Mietpreis: 7,10 /m² NK Wärme: 0,25-0,35 /m² Fußbodenheizung, zentrale Warmwasserbereitung 2 Wärmepumpen 37 kw Heizen 20 kw Heizen & Warmwasser

39 Ausgangssituation Zielvorgabe Bauherr: Erneuerbare Wärme Schätzung des Architekten (50 W/m) 75 kw = 50 W/m x m = 15 x 100 m % Unsicherheit = ,2% der Bausumme Heizlastberechnung des Haustechnikplaners 60 kw 48 kw ohne Warmwasser 39 Personen x 0,3 kw = 12 kw Wärmebedarfsermittlung kwh/a (1.330 h/a) kwh/a Heizung kwh/a Warmwasser

40 Vorplanung Machbarkeitsstudie Erdwärmenutzung Untergrund Gneis Wärmeleitfähigkeit: 2,9 W/m,K Schwankungsbreite laut EED: 1,9 4,0 W/m,K Oberflächenkorrigierte Untergrundtemperatur: Freiberg laut EED: 7,7 C Ergebnis EED: 6 x 140 m = 840 m Kostenschätzung: Vorschlag für Pilotbohrung & Testarbeiten danach Präzisierung EED und Ausschreibung

41 Simulation mit Fachsoftware EED

42 Pilotbohrung & Testarbeiten bis Schicht Wärmeleitfähigkeit λ 0,0 W/(m*K) W/Schicht*K 0,2 Mutterboden 0,5 0,00 1,0 Auffüllung, steinig, Ziegel 0,8 0,01 3,0 Gneis, zersetzt 2,6 0,04 6,0 Gneis, verwittert 2,7 0,07 50,0 Gneis, kompakt, trocken 2,8 1,03 120,0 Gneis, kompakt, Kluftwasser 2,9 1,69 120,0 Endteufe mittlere spezifische Wärmeleitfähigkeit λ 2,84 W/(m*K) Randbedingungen der Messung Messzeitraum Gehäuse-Innentemperaturen 17, ,7 C Parameter der Bohrung Sondenlänge nach Bohrdokumentation 120,0 m mittlerer Bohrlochdurchmesser 153 mm Sondentyp Doppel-U; 32 x 2,9 mm Verpressmaterial Stüwatherm Parameter Thermal Response Test mittlere Heizleistung 5211,36 W Heizarbeit 404,59 kwh Durchsatz 22,86 l/min Temperaturspreizung 3,27 K Strömungsregime turbulent

43 Ausführungsplanung Reduzierung der Bohrmeter 6 x 107 m = 640 m Vergleich: m (Architekt) m (Vormodell) Optimierung des Sondenfeldes Hydraulik, Verteiler Präzisierung Kostenschätzung Ausschreibung, Vergabe

44 Kosten Mai 2010 bis November 2011 Strom : kwh Wärme: kwh JAZ = 3,46 Min = 2,8 (08/ nur Warmwasserbereitung) Max = 3,9 (10/2011 Beginn Heizbetrieb) Kosten: kwh x 18 ct/kwh = /885 m² /18 Monate = 0,38 x m²/monat

45 Monitoring (hier: Heizung & WW)

46 Anlagenüberwachung (Monitoring)

47 Anlagenerrichtung

48 Genehmigungen/Anzeigen Antrag auf Wasserrechtliche Erlaubnis bei der Unteren Wasserbehörde Anzeige beim Bergamt (wenn > 100m) Anzeige des Erdaufschluss und der Bohrergebnisse beim Geologischen Dienst Berücksichtigung von Umweltaspekten Thermische Auswirkungen auf den Untergrund (Modellierung ab 30 kw) Hydraulische Auswirkungen Bohrtiefenbegrenzungen Berlin: max. Bohrtiefe 99 m Bayern: nur 1. GWL Umweltschutz bei Bohrarbeiten Fachfirma nach DVGW (W 120-2) Spülungszusätze nach DVGW (W 116)

49 Ausgangslage I Deutschland ist mit ca neu errichteten Geothermie-Anlagen pro Jahr der wichtigste Markt in Europa. Auf Grund des föderalen Systems sind die Anforderungen an die Errichtung von Erdwärmeanlagen regional sehr unterschiedlich. In den letzten Jahren ist eine deutliche Verschärfung der wasserrechtlichen Genehmigungen zu beobachten. Es existieren merkbare Unterschiede bei der Herangehensweise in den Bundesländern.

50 Ausgangslage II Gegenwärt meistgenannte Baustellen : Zertifizierung der Bohrunternehmen Versicherung der Risiken beim Bau Verbindung von Grundwasserleitern durch unsachgemäßes Verfüllen digitale Überwachung des Verpressvorgangs Grundwassergefährdung des Grundwassers durch Glykol Frost-Tau-Wechselbeständigkeit der Verfüllbaustoffe frostfreier Betrieb der Anlage meist unbeachtet: korrekte Dimensionierung der Quellenseite Monitoring laufender Anlagen

51 LAWA-Richtlinie vom Dezember 2011

52 Erforderliche Bohrmeter Variante Kriterium Grundlast Spitzenlast Bohrmeter (T=8 C) VDI 4640 "Grundlast < 11K zum Untergrund" -1,5 (0,5) W/m 97 Grundlast-optimiert "Grundlast 0 C" Spitzenlast-optimiert "Spitzenlast -3 C" Grundlast 0 C "mit 0 C in die Erde" 1,5 118 SIA 384/6 "niemals unter -3 C" -1, Bayern MB 3.7/2 "niemals unter 0 C" 1, Betrieb mit Wasser "Betrieb mit Wasser" 4, Bohrmeter Bohrkosten Investitionskosten Amortisationszeitraum

53 erforderliche Gesamtbohrmeter Variantenvergleich II VDI W/m Grundlastoptimiert Spitzenlastoptimiert Grundlast 0 C SIA 384/6 / LAWA Bayern MB 3.7/2 Betrieb mit Wasser Bohrmeter (T=8 C) Bohrmeter (T=10 C)

54 Früher: Geologische Karten Quellen: SMUL

55 Heute: Geothermische Potenzialkarten Quellen: SMUL

56 Morgen: Geologische Modelle

57 Mehrschichtmodelle

58 Temperaturfeld-Prognosen

59 Zusammenfassung Mit ca Anlagen pro Jahr stellt die Geothermie bereits heute ein nennenswertes Segment im EE-Wärme-Markt dar. Die Zahlen sind jedoch leicht rückläufig (Schadensfälle, Energiepreise, Genehmigungsprozesse, fehlende Standards). Vor allem der Sanierungsmarkt und der Gewerbebau sind die Felder der Zukunft. Bei der Planung von Erdwärmeanlagen spielen die Untergrundparameter eine wesentliche Rolle in der Dimensionierung und damit für die ökonomischen Randbedingungen. Überdimensionierung bedeutet zu hohe Investitionskosten, Unterdimensionierung zu hohe Betriebskosten. Zur Ermittlung gesteinsphysikalischer Parameter stehen uns neben geologischen Karten, Datenbanken und GIS auch in-situ-testverfahren (TRT, T-Log) zur Verfügung. Die Verwendung von Faustformeln (50 W/m) kommt der Ignorierung der Untergrundverhältnisse gleich und birgt erhebliche Risiken. Erdwärmenutzung und Grundwasserschutz stellen bei sachgemäßer Handhabung der verfügbaren Technik keinen Widerspruch dar (siehe Brunnenbau).

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