Erdwärmenutzung, Fachplaner Geothermie Mitglied im BWP, Bundesverband Wärmepumpe e.v. 08.02.2014 A2 Forum, Rheda-Wiedenbrück
Immer und überall vorhanden 2
Wie geht das überhaupt? Wie kann ich mir diese Energie nutzbar machen? Was kostet mich das? Wie lange hält das? Wie warm ist es da unten? Wird die Erde nicht kalt? Geht das bei mir auch? Gibt es Risiken? 3
Eine unerschöpfliche Energiequelle Die Erdwärme ist nach menschlichem Ermessen eine unerschöpfliche Energiequelle. Wir müssen sie nur fachgerecht anzapfen 4
Wärmestromdichte in Europa 5
Definition von Erdwärme Geothermie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde. (VDI 4640) 6
Vertikale Erdwärmesonden Einfach-U-Sonde 25-32 mm einfache Koaxialsonde Doppel-U-Sonde komplexe Koaxialsonden 7
Horizontaler Erdreichkollektor 8
Einbau der Sonde ins Bohrloch Querschnitt durch eine fertig ausgebaute Bohrung Gestein Agv Avr Arf Verfüllmaterial (Rv) Rohrmaterial (Rr) A: Übergangswiderstände R: Materialwiderstände Rb = Agv + Rv + Avr + Rr + Arf 9
Anbindung der Sonden, Leitungssicherung 10
Der Untergrund Untergrund bedeutet das gesamte Material unterhalb der Oberfläche: Bodenmineralien und Gesteine sowie Inhalt der Porenräume ( Gase oder Flüssigkeiten ) organische Materie Der Untergrund besteht aus: Lockerem Material wie Erde, Sand, Kies etc. Festgestein Poren können unterschiedliche Wassermengen enthalten: ungesättigt nicht vollständig gefüllte Poren gesättigt Poren sind vollständig mit Wasser gefüllt 11
Wärmeregime im Untergrund Die Oberflächentemperatur liegt im Mittel bei etwa 13 C. Diese Temperatur wird bestimmt aus dem Gleichgewicht von: einstrahlender Sonnenenergie (ca. 1000 W/m²) geothermischer Wärmefluss ( 0,05 0,12 W/m²) Wärmestrahlung ins Weltall Unterhalb der neutralen Zone (< 10 20 m) ist die Temperatur zeitlich konstant nimmt mit der Tiefe zu (0,03 k/m) Der Energietransport geschieht hauptsächlich durch: Wärmeleitung (λ~ 1 5 W/mK) 12 Konvektion (d.h. Fluidtransport Grundwasser)
Energiequellen und Energiestrahlung 13
Mögliche spezifische Entzugsleistung für Erdwärmesonden nach VDI 4640 14
Übersicht des Geo NRW 15
Die Geologie am A2-Forum 16
Planungsziel: - Eine deutliche Senkung der Betriebskosten für den Kunden durch Qualität und fachgerechte Umsetzung d.h. eine Jahresarbeitszahl von mind. 4,0 - Eine der Geologie, den behördlichenvorgaben und den Bedürfnissen des Kunden angepasste, nachhaltige Energiequelle - Ein nahezu wartungsfreies und über viele Jahre sicheres und stabiles System 17
Auslegung Was ist zu beachten? Abstimmung mit den Vorgaben der Wärmepumpe (Heizleistung, Kälteleistung) Jahresbetriebstunden 1.800 oder 2.400h/a Geologische Voraussetzungen behördliche Auflagen Festlegung der Bohrmeter und des Bohrverfahrens Größe des Sondenfeldes, Platzbedarf 18
Funktionsprinzip Wärmepumpe ca. 75% ca. 25% 19
Funktionsprinzip einer Wärmepumpe Vier Kernkomponenten einer Wärmepumpe Dampf 3,2bar - 3 C Dampf 18 bar + 80 C Sole T ein : 0 C HeizungsVL: 35 C Sole T aus : -4 C HeizungsRL: 28 C Nass- Dampf 3,2 bar - 14 C Flüssig 18 bar + 41 C 20
Betriebsweisen einer Wärmepumpe Monovalente Betriebsweise: Wärmepumpe deckt als einziger Wärmeerzeuger den gesamten Wärmebedarf Monoenergetische Betriebsweise: Wärmepumpenanlage wird im Heizbetrieb durch einen mit Strom betriebenen Wärmeerzeuger ergänzt (z.b. integrierter Heizstab) Bivalent-parallele Betriebsweise: Wärmepumpenanlage wird im Heizbetrieb ab Bivalenzpunkt durch einen zweiten Wärmeerzeuger ergänzt. (Auslegung WP i.d.r. 80-95% der maximalen Heizlast) Bivalent-alternative Betriebsweise: Wärmepumpenanlage wird im Heizbetrieb ab Bivalenzpunkt abgeschaltet und durch einen zweiten Wärmeerzeuger ersetzt. 21
Leistungs- und Jahresarbeitszahl Leistungszahl (COP) Gibt die Effizienz der Wärmepumpe an: Verhältnis der thermischen Leistung zur eingesetzten elektrischen Energie. Gemessen unter Normbedingungen im Labor, daher vergleichbar. Zeigt nur eine Momentaufnahme. Wird vom Hersteller in den Unterlagen für unterschiedliche Prüfpunkte angegeben. Jahresarbeitszahl (JAZ) Gibt die Effizienz der gesamten Wärmepumpen-Heizungsanlage an und ist daher immer auf das individuelle Projekt bezogen. Berücksichtigt auch die benötigten Hilfsenergien wie Umwälzpumpe und Regelungskomponenten. Zur Messung der JAZ ist der Einbau von Wärmemengenzählern notwendig. Die JAZ kann auch nach DIN 4650 berechnet werden. Unterschiede zur später gemessenen JAZ ergeben sich u.a. durch nicht vorhersagbare klimatische Bedingungen und dem Nutzerverhalten. 22
Leistungszahl und Temperaturdifferenz Faustformel: Leistungszahl Temperaturdifferenz Vorlauftemperatur 1 K niedriger: Leistungszahl 2,5% höher Quellentemperatur 1 K höher: Leistungszahl 2,7% höher Generell gilt: Je geringer die Differenz zwischen Umwelttemperatur und Heizsystemtemperatur, desto höher die Leistungszahl! 23
Leistungszahl und Heizsystemtemperatur Folgerungen Höhere Wärmequellentemperaturen führen zu höheren Effizienzwerten Wärmepumpen sind ideal für Niedertemperatur-Heizsysteme Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen können ganzjährig und monovalent heizen Luft/Wasser-Wärmepumpen benötigen je nach Auslegung an kalten Tagen einen zweiten Wärmeerzeuger (z.b. einen Heizstab). Dieser kann die Wirtschaftlichkeit in langen kalten Heizperioden deutlich herabsetzen. Hier muss mit Strom nachgeheizt werden. 24
Derzeitige Marktsituation Nahezu 25% des Primärenergieverbrauchs und ca. 30% des Endenergieverbrauchs der BRD werden für Raumheizung und Warmwasser eingesetzt. In BRD 40 Mio. Wohneinheiten, davon ca. 15 Mio. Ein- und Zweifamilienhäuser. Vor 1978 erbaute Gebäude (Altbauten) verbrauchen ca. 90% der Heizenergie. Gegenwärtig werden pro Jahr nur ca. 150.000 200.000 Ein- und Zweifamilienhäuser errichtet. 25
Wachstumsmarkt 26
Der Wärmemarkt 27
Die Premiumlösung Heizen und Kühlen Gleichgewicht im Boden sorgt für Gleichgewicht im Energiekonzept Ganzjährige Klimatisierung Anpassung an die hohen Bedürfnisse am Arbeitsplatz Energieeinsparende Heiz- und Kühltechnik 28
Wärmepumpe mit passiver Kühlung 29
Entkopplung von Erzeugung und Verbrauch 30 BEE-Ausbauszenario: Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien bis 2030 (Quelle: BET-Studie Möglichkeiten zum Ausgleich fluktuierender Einspeisungen aus erneuerbaren Energien
Temporäre Stromüberschüsse 31 Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien, Last und Residuallast (Quelle: BET-Studie Möglichkeiten zum Ausgleich fluktuierender Einspeisungen aus erneuerbaren Energien
Wärmepumpen im Smart Grid 32
Speicheroptionen für Überschussstrom verfügbare Kapazität Pump- Speicher Thermische Speicher "Power to Heat" Elektro- Autos Batterien Wasserstoff "Power to Gas" Technologie vorhanden Zukünftige Technologien kostengünstig 33
SG Ready: Einheitliche Schnittstelle Auf- und Abwärtskompatibel Verwendung von zwei digitalen Klemmen Vier Betriebszustände: 0:0 Wärmegeführter Normalbetrieb 1:0 Abschaltbefehl (EVU-Sperre) 1:1 Einschaltempfehlung (z.b. durch Preissignal) 0:1 Einschaltbefehl 370 Geräte von 20 Herstellern (Liste einsehbar auf www.waermepumpe.de/sg-ready) Präsentation erster Modelle auf der ISH 2013 34
Notwendige Rahmenbedingungen Wirtschaftliche Voraussetzungen Lastvariable Tarife Konkurrenzfähiges Preisniveau des Wärmestroms Vergütung für Zusatzfunktionen Regulatorische Voraussetzungen Dynamisierung der regulierten Preisbestandteile Flexibilisierung der Standardlastprofile Zuordnung der Schaltberechtigungen Zugang zum Regelenergiemarkt für Schwarmlösungen 35
Referenzen Möglichkeiten der Nutzung 36
Referenzen Möglichkeiten der Nutzung 37
Beispiel Abschlussfolie Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt für weitere Fragen: Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e. V. Dipl.-Ing (FH) Markus Röscheisen 05244 / 407-32 m.roescheisen@kst-wassertechnik.de