Simulation und Evaluierung von Kopplungs- und Speicherkonzepten regenerativer Energieformen zur Heizwärmegewinnung

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1 Simulation und Evaluierung von Kopplungs- und Speicherkonzepten regenerativer Energieformen zur Heizwärmegewinnung 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Dr. Kristian Bär Dr. Wolfram Rühaak Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, M.Sc. M.Sc. Daniel Schulte Dipl.-Ing. Bastian Welsch Technische Universität Darmstadt Institut für Angewandte Geowissenschaften Fachgebiet für Angewandte Geothermie Darmstadt, 01. Oktober Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie

2 Einordnung Mitteltiefe Geothermie 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 1

3 Merkmale Mitteltiefe Geothermie Kein Tiefenkriterium Erschlossenes Temperaturniveau erlaubt Betrieb ohne Wärmepumpe Betrieb konventioneller Heizsysteme möglich Speicherung oder direkte Nutzung tieferer Bereiche Anwendung und Erweiterung bekannter Techniken (Bohrung und Ausbau) aus der Oberflächennahen und Tiefen Geothermie Temperaturbedingt andere Ausbaumaterialien als in der Oberflächennahen Geothermie üblich (nur bedingt Einsatz von PE-Rohren) Flachbohrtechnologien nur begrenzt einsetzbar Erhöhte Anforderungen an Bemessung und Überwachung Operative Temperatur im Reservoir größer als ungestörte Gebirgstemperatur (Speicherung) 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 2

4 Konventionelle saisonale thermische Erdwärmespeicher Underground Energy, LLC Sommerbetrieb: Kühlung Winterbetrieb: Heizung 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 3

5 Mitteltiefe Hochtemperaturspeicherung Wenige mitteltiefe Bohrungen ( m) Hohe Vorlauftemperaturen von C größere Bohrtiefen höhere Untergrundtemperaturen Temperaturdifferenz zwischen Reservoir und Vorlauftemperatur verringert. geringere Wärmeverluste im Gegensatz zu oberflächennahen Speichern Hohe Speicherrücklauftemperaturen zum Betrieb konventioneller Heizssysteme möglich (45-65 C) Ein Einsatz von Wärmepumpen ist nicht nötig. Dies erhöht die Effizienz und verringert den Primärenergieverbrauch Energetische Optimierung bestehender Infrastruktur Wirtschaftliche Bohrtechnik kann eingesetzt werden (hydraulischer Imlochbohrhammer (DTH)) 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 4

6 Forschungsprojekt Energietechnologieoffensive Hessen (Hessen Agentur GmbH) Titel: Simulation und Evaluierung von Kopplungs- und Speicher-konzepten regenerativer Energieformen zur Heizwärmeversorgung Projektpartner: HEAG Südhessische Energie AG (HSE) Ziel dieses Vorhabens ist der Nachweis der Wirtschaftlichkeit, der Dimensionierungs- und Simulierungsfähigkeit einer CO 2 -neutralen Heizwärmeversorgung durch gekoppelte Nutzung von Solarthermie, einem Blockheizkraftwerk (BHKW) und einem mitteltiefen Erdwärmesonden- Speicher mit Hochtemperaturspeicher für den Gebäudebestand. 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 5

7 Gekoppelte Systeme Eine sinnvolle Kopplung verschiedener erneuerbarer Energien zur Heizwärmeversorgung bestehender Gebäudekomplexe ist i.d.r. nur über Speichersysteme möglich. Dies trifft im speziellen auf Technologien zu, die von wetter- und klimabedingten saisonalen Änderungen abhängig sind. Die Kopplung geothermischer Potenziale mit industrieller Abwärme oder Prozesswärme garantiert die Wärmegrundlastversorgung. Die Kopplung mit Blockheizkraftwerken (BHKW) erlaubt deren stromgeführten Betrieb im Sommer. Solarthermische Kollektoren Speicher BHKW Abnehmer Wronowski Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 6

8 Szenario 1: BHKW / Abnehmer BHKW Abnehmer 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 7

9 Szenario 2 : BHKW / MTHTS / Abnehmer MTHTS BHKW Abnehmer MTHTS 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 8

10 Szenario 3: BHKW + Solarthermie / MTHTS / Abnehmer Solarthermische Kollektoren BHKW MTHTS Abnehmer Spitzenlast Solarthermische Kollektoren BHKW MTHTS Abnehmer 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 9

11 Weitere Szenarien Einbindung der ETA-Fabrik als Wärmequelle Einbindung des Hochleistungsrechners am Standort Lichtwiese ETA-Fabrik Hochleistungsrechner Lichtwiese Verlustarme Wasserkühlung des Hochleistungsrechner Lichtwiese 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 10

12 Zukünftige Lage des Fabrikgebäudes Abmessungen: 45,80 m x 23,00 m x 12,00 m (Länge x Breite x Höhe) Grundfläche Versuchsfläche: 600m² 30 m x 20 m Fläche Verwaltungsbereich: 500 m² 7,20 m x 21,50 m x 3 Stockwerke 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 11

13 Zukünftige Lage des Fabrikgebäudes Zufahrtsstraße zur Lichtwiese (Petersenstraße) Abmessungen: 45,80 m x 23,00 m x 12,00 m (Länge x Breite x Höhe) Grundfläche Versuchsfläche: 600m² 30 m x 20 m Fläche Verwaltungsbereich: 500 m² 7,20 m x 21,50 m x 3 Stockwerke 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 12

14 Winterbetrieb - ETA-Fabrik mit Speicher Kopplung mini BHKW und Maschienenabwärme mit Speicher (90 C) 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 13

15 Sommerbetrieb - ETA-Fabrik mit Speicher 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 14

16 Lokation möglicher Bohrstandorte 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 15

17 Profil am Speicherstandort 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 16

18 Grundwasserschutz 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 17

19 Vergleich Doppel U vs. Coaxial Sonde 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 18

20 System Design Einspeicherung Zentraler Vorlauf (CXC) Entzug Zentraler Rücklauf (CXA) Koaxiale EWS Vorlauftemperatur: C Rücklauftemperatur: C 3 Bohrungen Bohrtiefe: m Lithologie: Granodiorit Thermische Isolation: ca. oberste 100 m 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 19

21 System Design Einspeicherung Entzug Dimensionierung: Zentraler Vorlauf (CXC) Zentraler Rücklauf (CXA) Fließrate 17 l/s Vorlauftemp. 90 C WLF Außenrohr 54 W/m K WLF Innenrohr 0,05 W/m K WLF Zement 1,73 W/m K WLF Gestein 2,6 W/m K 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 20

22 Beladung mit CXC-EWS vs. CXA-EWS Comparison of MDHTS Charge with CXC or CXA BHE 0 Temperature ( C) BHE depth(m) Inlet_Temp_CXC Outlet_Temp_CXC Grout_Temp_CXC Inlet_Temp_CXA Outlet_Temp_CXA Grout_Temp_CXA Soil_Temp 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 21

23 Analytische Berechnung mit MATLAB 1000 m 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 22

24 Analytische Berechnung mit MATLAB 200 m 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 23

25 Thermische Beeinflussung des Untergrundes Nach der thermischen Be- und Entladung des Speichers mit 100 kw (8640 MJ/d) erreicht die horizontale Ausdehnung des thermischen Einflussbereiches nach 10 Jahren (A) 48 m in 300 m Tiefe, (B) 57 m in 500 m Tiefe und (C) 62 m in 1000 m Tiefe. Koju Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 24

26 Optimierung des Erdwärmesondenspeichers Fließrate in der EWS (variabel oder festgelegt?) Dimensionierung der EWS Länge/Tiefe der EWS (Limitierung durch Bohrverfahren) Bohrloch- und Rohrdurchmesser (Limitierung durch Bohrverfahren,- technik) Rohrmaterialien (thermische Eigenschaften, Festigkeitseigenschaften, Kosten) Verfüllbaustoffe Anordnung der EWS Vergleich zu flachen Speicheroptionen Kaskadierungsoptionen Für eine allgemeingültige Lösung muss ein Optimierungsproblem gelöst werden. 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 25

27 Optimierung Suche nach Minima bzw. Maxima Ulbrich & Ulbrich (2012) Lokale und globale Minima der Funktion f x auf x. 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 26

28 Optimierung Praktisch handelt es sich um nicht-lineare mehrdimensionale Funktionen. 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 27

29 Globale Optimierung Eingangsgrößen sind bei variabler Beladung (Solarthermie, Abwärme) erzielbare Heizlasten (in Abhängigkeit der Gebäudenutzung) Zielfunktion ist die Maximierung der erhaltenen Energie Das Gesamtsystem wird voll dynamisch für die Gebäude- und Speicherseitig simuliert; es ergeben sich dadurch mehrdimensionale Parametermatrizen, die mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate oder Monte-Carlo-artigen Verfahren gelöst werden müssen In einem zweiten Schritt wird für hinreichend erzielbare Lasten der Systemaufbau (i.w. Anzahl und Tiefe der Bohrungen) derartig minimiert, dass die resultierenden Kosten minimal werden Für die aufwendige Berechnung (MATLAB basiert) müssen effektive Verfahren des Parallel Computings eingesetzt werden 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 28

30 Beispiel: Karst-Erdwärmespeicher, Zillertal 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 29

31 Marmore der Hochstegenserie 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie

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33 Heiz- und Kühlenergiebedarf des Hotelbauteils Wärmepumpenleistung: insgesamt 378 kw. 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 32

34 Ausbau EGRT Pilotsonde 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie

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39 Funktionsprinzip OFDR 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 38

40 Raman-Streuung 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 39

41 Ungestörter geothermischer Gradient 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 40

42 Pecletzahl-Analyse zur Auswertung des EGRT 1 ä ä ä 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 41

43 Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ä ä / ä ä ä 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 42

47 Einfluss der Grundwasserströmung Thermische Leitfähigkeit [W/(m K)] Durchschnittliche effektive thermische Leitfähigkeit 4,86 W/(m K) Tiefe [m] Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie

48 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT 8. Tiefengeothermieforum Prof. Dr. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie 47