Start der größten Grundwasser-Geothermieanlage Norddeutschlands in Braak

Geotherm 2015 Technik Firma Boltze Abb. 1 Neubau der Firma Boltze in Braak bei Hamburg Start der größten Grundwasser-Geothermieanlage Norddeutschlands in Braak Die Erdkruste ist ein riesiger natürlicher Speicher von Sonnenenergie ein Speicher von gigantischem Ausmaß. Oberflächennahe Geothermie bietet sich daher auch großen gewerblichen Energieverbrauchern als günstige und nachhaltige Quelle von Wärme und Kälte an. In einem Büro- und Logistik-Gebäude in Braak bei Hamburg ist gerade die größte Geothermieanlage im norddeutschen Raum in Betrieb gesetzt worden, die die Erdwärme direkt dem Grundwasser entzieht (Abb. 1). Sieben innovative Brunnenanlagen zirkulieren Grundwasser, eine Wärmepumpen- Kaskade gewinnt daraus 380 kw Heizleistung. Zusätzlich wird das Grundwasser zur Passivkühlung der Büros genutzt. Die Bundesregierung verfolgt die Energiewende auch im Wärmebereich. Regelmäßig verschärfen sich die regulatorischen Anforderungen an die Energietechnik in Neubauten. Erneuerbare Energien sollen mehr und mehr dazu beitragen, Gewerbebetriebe und Büros mit Wärme und Kälte zu versorgen. Gehörte es früher zum Standard, einen Öl- oder Gaskessel für die Heizung und eine Kompressionskälteanlage für die Kühlung zu betreiben, sind solche Lösungen zukünftig oft nicht mehr zulässig. Nach dem Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWG) muss mindestens 15 % der Energie aus Erneuer barer Energie kommen. Doch die Möglichkeiten zur Erzeugung Erneuerbarer Wärme sind begrenzt. Immer interessanter ist auch im gewerb- 28 02-2015

lichen Bereich der Einsatz von Wärmepumpen; bei Neubauten im Wohnbereich hatten sie 2013 einen Marktanteil von 32 % [1]. Wärmepumpen sind das Bindeglied zwischen dem Strom- und dem Wärmemarkt und die effizienteste Form, um mit Strom zu heizen. Sie nutzen als primäre Energiequelle sonst ungenutzte Wärme auf niedrigem Temperaturniveau. Das kann Wärme aus dem Grundwasser, der Luft oder auch Abwärme eines Produktionsprozesses sein. Elektrische An - triebsenergie wird eingesetzt, um das Temperaturniveau der Wärme auf das Niveau zu erhöhen, welches zum Heizen ge - braucht wird. Im Ergebnis gewinnt die Wärmepumpe 60 bis 80 % der bereitgestellten Wärme aus der Umwelt. Der übrige Anteil wird aus Strom gewonnen und dieser besteht bereits heute zu knapp 30 % aus Erneuerbarer Energie, in zehn Jahren werden es nach dem Ausbaukorridor der Bundesregierung 40 bis 45 % sein. Wärmepumpen-Systeme werden so immer klima schonender (Abb. 2). Die Firma Boltze handelt mit Wohnaccessoires und Geschenkartikeln und betreibt in Braak bei Hamburg ein großes Logistiklager. In den vergangenen zwei Jahren wurde der Standort um einen Neubau Bundesverband Wärmepumpe In der Planungsphase der neuen Immobilie setzte sich eine Grundwasser-basierte Geothermie-Anlage als wirtschaftlichste und nachhaltigste Energielösung durch. Die Firma Boltze benötigt nicht nur Wärme zum Heizen der Räume und Hallen, sondern auch erhebliche Mengen an Kälte, um Büros, Ausstellungsflächen und Server zu kühlen. Mit einem solchen Verbrauchsprofil zahlt sich eine Grundwasser-Anlage doppelt aus: Im Winter entzieht die Wärmepumpe dem Grunderweitert, der 5.150 Quadratmeter Büround Ausstellungsfläche umfasst. Die Unternehmensleitung hat beim Bau hohe Ansprüche verfolgt: Sie setzte auf eine attraktive Architektur, ließ die Büros und Arbeitsplätze modern und kommunikationsfördernd gestalten und wählte eine flexibel anpassbare Raumaufteilung. Vor allem aber sollte das Gebäude energietechnisch beispielhaft sein. Die Geschäftsleitung strebte höchste Energieeffizienz an, um die Energiekosten dauerhaft zu drosseln. 400 350 300 250 200 150 100 50 0 CO 2 -Emissionen der Wärmeerzeugung (g C0 2 /kwh th ) Quelle: Schmid, Pape, FhG IWES Ölkessel Erdgas-Brennwertkessel Elektrische Wärmepumpe 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 Abb. 2 Prognose des Fraunhofer Instituts IWES zur Entwicklung der Kohlendioxid-Emissionen pro Wärmeeinheit. Durch den steigenden Anteil von Erneuerbarer Energie im Stromnetz wird Wärmeerzeugung durch aus Wärmepumpen immer klimaschonender. 02-2015 29

Geotherm 2015 Technik Abb. 3 Prinzipskizze zum Aufbau der Geothermie-Anlage in Braak (Firma Boltze) Weitere Abb.: Geo-En Energy Technologies GmbH wasser Energie und kühlt es dadurch allmählich ab. Im Sommer steht damit quasi als Nebenprodukt des Heizprozesses kaltes Grundwasser zur Verfügung, das zum Kühlen verwendet werden kann. Dazu wird es über einen Wärmetauscher direkt an den Kühlkreislauf im Gebäude an - geschlossen. Im Fall der Firma Boltze sind an den Kühlkreislauf großflächige Kühldecken angebunden. So nimmt das Grundwasser die Wärme des Gebäudeinnern auf und transportiert sie in den Grundwasserleiter, der sich dadurch all- mählich wieder aufwärmt. Nur die Zirkulationspumpen laufen in dieser Betriebsart und so entsteht Kälte unter minimalem Stromverbrauch. Gleichzeitig schließt sich so der Kreislauf von Wärmeentnahme und -rückgabe und die Geothermie- Quelle kann dauerhaft betrieben werden, ohne dass das Grundwasser auskühlt oder mit zusätzlich erzeugter Wärme im Sommer regeneriert werden müsste. Grundwasser-basierte Geothermie ist daher im gewerblichen Bereich besonders vorteilhaft. Vertikale Grundwasserzirkulation höchste Leistung auf kleiner Fläche Eine Probebohrung am Gebäudestandort offenbarte einen etwa 20 Meter mächtigen Grundwasserleiter aus Grobsand, der in ca. 30 bis 50 Meter Tiefe verläuft. Der Standort ist somit grundsätzlich gut geeignet für eine Grundwasser - zirku la tions anlage. Als brunnentechnische Lösung wurde das System Integralsonde der Firma Geo-En Energy Technologies GmbH ausgewählt. Die Integralsonde ist eine Grund wasser zir - Schluckfilter Energymanager Zweistufige Wärmepumpe Zweistufige Wärmepumpe Speicher Heizung 55 / 45 C Dichtung Wärmetauscher Grundwasserpumpe Saugfilter Zwischenkreise Pumpe Speicher Kühlung 6 / 9 C Integralsonde 1-7 Abb. 4 Konstruktion der Grundwasserzirkulationsanlage vom Typ Integralsonde Abb. 5 Prinzipskizze zur Hydraulik der Geothermie-Anlage 30 02-2015

Abb. 7 Entsandung der Grundwasserbrunnen Abb. 6 Absenken der Einbauten für die Integralsonde durch den Bohrunternehmer In der Planungsphase der neuen Immobilie setzte sich eine Grundwasser-basierte Geothermie-Anlage als wirtschaftlichste und nachhaltigste Energielösung durch. kula tionsanlage, bei der die Zirku lationsrichtung vertikal ist (Abb. 3 und 4). Für die Integralsonde wird nur ein Bohrloch genutzt, um Grundwasser zu fördern und wieder einzuleiten. Entnahme- und Rückführungsleitung sind koaxial angeordnet, und der Entnahmefilter (Saugbrunnen) liegt etwa 15 Meter tiefer als der Filter zur Rückführung des Grundwassers (Schluckbrunnen). Ein hydraulischer Kurzschluss ist durch Dichtungen im Ring raum zwischen Bohrlochwand und Außenrohr sowie zwischen Außen- und Innenrohr ausgeschlossen. Während des Betriebs zirkuliert das Grundwas - ser in großen Bögen vom Schluck- zum Saug filter. Die Integralsonde verbraucht gegenüber einer Dublettenanlage mit separatem Saug- und Schluckbrunnen weniger Platz und vermeidet die Verschiebung des Grundwasserspiegels im Be - reich der Brunnen. Verockerungseffekte, wie sie bei hohem Eisengehalt im Grundwasser auftreten können, sind mit einer Integralson de daher noch unwahrscheinlicher und un schädlicher als bei einer Dublettenanlage [2]. Anlagenauslegung und Bau Ein Feld von Integralsonden soll der zentralen Wärmepumpen-Anlage Grundwasser liefern und so Umweltwärme bereitstellen. Die Energieanlage wurde monovalent aufgebaut, sodass sie weder Ge räusche noch Abgase an die Umgebung abgibt. Die Hydraulik auf der Primärseite der Wärmepumpe wurde so ausgelegt, dass die Grundwasserströme der ein zelnen Integralsonden nicht ge - mischt werden. Für jeden Grundwasserkreislauf wurde ein Wärmetauscher eingerichtet, der die Wärme auf einen Zwischenkreis überträgt (Abb. 5). Da durch entsteht zwar zusätzlicher Energiebedarf für den Pumpenbetrieb im Zwischenkreislauf, es wird aber verhindert, dass wasserchemische Reaktionen zwischen den verschiedenen Grundwasserströmen auftreten, die Feststoffausfällung begünstigen könnten. Baugrund Altlasten Umwelttechnik Hydrogeologie GMP Geotechnik GmbH & Co. KG Beratende Ingenieure und Geologen Hedanstraße 17 97084 Würzburg Telefon: +49 931 61 44-0 www.gmp-geo.de mail@gmp-geo.de GMP Geotechnique a Matter of Profession 02-2015 31

Geotherm 2015 Technik 60,0 MWh 50,0 MWh 40,0 MWh 30,0 MWh 20,0 MWh 10,0 MWh 0,0 MWh Wärme Kälte Antriebsenergie Juli Aug Sep Okt Nov Abb. 8 Bereitgestellte Energiemengen und Stromverbrauch der Anlage in den ersten Betriebsmonaten. Dunkelgrau hervorgehoben ist der Stromverbrauch der Zwischenkreispumpen. Um die benötigte Heizleistung von 380 kw zu decken, ist wegen der monovalenten Auslegung eine Entzugsleistung von bis zu 300 kw notwendig, der Differenzbetrag wird durch die Antriebsenergie der Wärmepumpe gedeckt. Die Entzugsleistung einer Integralsonde am Standort wurde durch geologische Simulationsrechnungen auf etwa 40 kw pro Sonde berechnet. Es wurden daher sieben Inte gralsonden auf dem Grundstücksstreifen eingerichtet, der das Gebäude umgibt. Die Simulation ergab außerdem, dass ein gegenseitiger Abstand der Sonden von etwa 30 Metern ausreicht, um eine thermische Beeinflussung der Sonden zu vermeiden. Die Bohrungen im Durchmesser von 420 mm wurden im Spülverfahren auf knapp 50 Meter abgeteuft und mit den Geo-En-Komponenten für Integralsonden ausgebaut (Abb. 6). Anschließend wurden die Brunnen solange entsandet, bis das geförderte Grundwas ser praktisch sandfrei war (Abb. 7). Dadurch wurde sichergestellt, dass der Schluckbrunnen nicht durch Materialtransport verstopft. Erste Betriebsdaten Die Geothermie-Anlage wurde im Juni 2014 in Betrieb gesetzt und befindet sich seitdem im Probebetrieb, währenddessen Steuerung und Betriebsweise des Energiesystems noch optimiert werden. Erste Daten der Anlage liegen dennoch bereits vor und erlauben erste Effizienzanalysen. Die Energieanlage hat in den Monaten Juli bis November insgesamt 96 MWh Wärme und 53 MWh Kälte geliefert und lief in dieser Periode ohne längere Unterbrechungen (Abb. 8). Anfang September wurde ein Stromzähler für die Wärmepumpe und für die Zirkulationspumpen installiert. Für die Periode ab Anfang September wurde für jede eingesetzte Kilowattstunde Strom etwa 2,7 Kilowattstunden Energie erzeugt. Da die Anlage in dieser Periode nur relativ geringe Energiemengen liefern musste, wurde sie im Taktbetrieb genutzt und lief daher nicht so effizient wie im Winter. Um die Arbeitszahl (COP) der Wärmepumpe und der Passivkühlung auszuwerten, wurden Perioden ausgesucht, innerhalb derer die Heizung beziehungsweise Kühlung kontinuierlich in Betrieb waren. Für die Kühlung wurde am 5. September 2014 ein Verhältnis von Kälteerzeugung zu Stromverbrauch von 10,5 festgestellt (Abb. 9 links). Dieser Wert ist in etwa dreimal so hoch wie die Effizienz einer Kälteanlage, die die Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Damit bestätigt sich die Effizienz der Geothermie-Anlage im Kühlbetrieb. Die Kühlanlage hat jedoch noch nicht ihre Effizienzgrenze erreicht. Aktuell wird unter anderem die Steuerung der Zwischenkreis-Pumpen optimiert. Sie tragen etwa 2 MWh zum monatlichen Stromverbrauch bei, ein Wert, der voraussichtlich noch um mindestens 35 % reduziert werden kann. Der Heizprozess wurde anhand der Da - ten vom 4. Dezember 2014 analysiert, an dem die nächtliche Außentemperatur auf etwa -5 C sank. In dieser Zeit er reichte Passivkühlung 5.9.2014, 10-22 Uhr Heizbetrieb W6/W49 4.12.2014, 4-6 Uhr x 2,7 626 kwh x 10,5 636 kwh 700 kwh 990 kwh 364 kwh 64 kwh Antriebsenergie Umweltenergie Kälte Antriebsenergie Erdwärme Heizenergie Abb. 9 Energiebilanz der Anlage Braak im kontinuierlichen Betrieb Tabelle 1 Analyse des Energieverbrauchs der Heizung Nutzfläche Zeitraum Wärmeerzeugung Endenergieverbrauch Primärenergieverbrauch* Anlage Schwedt 1.220 m² Jahr 2013 122 MWh 31 MWh 25 kwh/m²/jahr 55 MWh 45 kwh/m²/jahr Zum Vergleich: Gasbrennwertkessel 122 MWh 136 MWh 149 MWh Anlage Braak 5.150 m² Monat Nov 2014 49 MWh 19 MWh 4 kwh/m²/monat 34 MWh 7 kwh/m²/monat Zum Vergleich: Gasbrennwertkessel 49 MWh 54 MWh 60 MWh * Primärenergiefaktor entsprechend EnEV 2016: 1,8 32 02-2015

7 6 5 4 3 COP der Wärmepumpe auf Prüfstand 2 Am 4.12.14 gemessener COP der Anlage 1 (Wärme/Stromverbrauch Wärmepumpe und Zirkulationspumpen Primärseite) 0 15 K 20 K 25 K 30 K 35 K 40 K 45 K 50 K Differenz der Vorlauftemperaturen auf Primär- und Sekundärseite der Wärmepumpe Abb. 10 Die gemessene Effizienz der Wärmepumpe entspricht dem Erwartungswert. Der Stromverbrauch der Grundwasser- und Zwischenkreispumpen verursacht die Verschiebung der Anlageneffizienz (grün) gegenüber der Effizienz der Wärmepumpe Energie aus dem Erdreich & Wasser flexibel nutzen Besuchen Sie uns auf der GeoTHERM in Offenburg 05.03.2015-06.03.2015 Baden-Arena, Stand: 63 die Arbeitszahl einen Wert von etwa 2,7 (Abb. 9 rechts). Die Wärmepumpe lief an diesem Tag mit einer Vorlauftemperatur auf der Primärseite von 6 C und einer Vorlauftemperatur auf der Sekundärseite von 49 C. Die Spreizung war damit so hoch, dass der erreichte Effizienzwert der Erwartung entspricht (Abb. 10). Er liegt auf dem Niveau, das für die Wärmepumpe auf dem Teststand gemessen wurde. Um höhere Werte zu erreichen, müsste die Vorlauftemperatur der Heizung reduziert werden. Sie liegt bei 49 C, weil im Ge bäude teilweise Gebläse-Heizer eingesetzt werden, deren Wärmetauscher hohe Vorlauftemperaturen verlangen. Bereits mit einer um 10 K abgesenkten Vorlauftemperatur der Heizung würde die Arbeitszahl bei über 4 liegen. Aber auch mit den eingestellten Vorlauftemperaturen kann die Effizienz des Heizprozesses noch gesteigert werden und entsprechende Optimierungsmaßnahmen an der Steuerung wurden in Angriff genommen. Die Geothermie-Anlage ist noch zu kurz im Betrieb, um die Jahresarbeitszahl der Anlage bestimmen zu können. Es können jedoch die Ergebnisse einer vergleichbaren Anlage im brandenburgischen Schwedt herangezogen werden, die seit drei Jahren in Betrieb ist, und ebenfalls eine Integralsonde einsetzt. Die Energieanlage wurde in einer Veröffentlichung [2] ausführlich vorgestellt, mittlerweile liegen weitere Daten vor. Die Jahresarbeitszahl er reicht hier kontinuierlich Werte um 4 und zeigt einen kleinen Aufwärtstrend. Hintergrund dieser Entwicklung ist eine Optimierungsmaßnahme im Herbst 2013: Die Leistung der Grundwasserpumpe wurde reduziert, sodass der Stromverbrauch des Systems sich etwas abgesenkt hat. Die Effi zienz der Schwedter Anlage liegt grundsätzlich über der hier vorgestellten Anlage in Braak, da die Spreizung der Vorlauftemperaturen im Primär- und Sekundärkreis etwa zehn Kelvin niedriger liegt. Energetische Bewertung Wärmepumpen-Anlagen nutzen Umweltenergie und sind daher in der Lage, den End- und den Primärenergiebedarf eines Gebäudes zu minimieren. Für die Braaker Anlage lag der Primärenergie-Einsatz im Monat November 30 % unter der bereitgestellten Heizenergie (Tab. 1). Bei einem Gas-Brennwertkessel hätte der Wert mindestens 10 % über der bereitgestellten Energiemenge gelegen. Der für den Energieausweis des Gebäudes relevante Endenergieverbrauch lag noch günstiger: Die Geothermie-Anlage hat den Endenergieverbrauch im Vergleich zu einem Gas- Brennwertkessel gedrittelt und ordnet sich damit weit vor Systemen ein, die BHKW- oder Holzpellet-Lösungen einsetzen. Die 380 kw Geothermie-Anlage der Firma Boltze ist somit ein vorbildlicher Beitrag zum Klimaschutz. Literatur [1] Statistisches Bundesamt, Baufertigstellungen bei Wohngebäuden nach vorwiegend verwendeter primärer Heizenergie, veröffentlicht durch Bundesverband Wärmepumpe e. V., 2014 [2] N. Meyer, Die Integralsonde Hochleistungslösung in der oberflächennahen Geo - thermie, bbr Sonderheft Geothermie 2014 Autor Dr. Nikolaus Meyer GEO-EN Energy Technologies GmbH Hauptstr. 65 12159 Berlin Tel.: 030 859946-911 Fax: 030 859946-955 Nikolaus.Meyer@Geo-En.de www.geo-en.de Limnion LIMA-1 Foto: FRANK Erdwärmesonde aus PE 100-RC FRANK bietet für jede Anwendung die richtige Lösung. FRANK-GET-System Vorkonfektionierte Erdwärmesonden aus PE 100-RC und PE-X sowie Schächte und Verteilersysteme. PKS-Thermpipe PE-Kanalrohr zur Energienutzung aus Erdreich und Abwasser. FRANK-VTP PE-Wärmetauscher zur Erdwärmenutzung auch bei Bohrtiefenbegrenzung. Limnion LIMA-1 PE-Wärmetauscher zur Energiegewinnung aus stehenden und fließenden Gewässern. Rufen Sie uns an: Wir beraten Sie gerne! T +49 6105 4085-0 www.frank-gmbh.de