Erdwärmesonden wie umweltfreundlich sind eigentlich?

Erdwärmesonden wie umweltfreundlich sind eigentlich? Stuttgart, April 2007 Thomas Kölbel t.koelbel@enbw.com Forschung & Entwicklung Energie braucht Impulse

eines EVU F&E der EnBW Nachhaltige Energieversorgung Geothermie aus EVU-Sicht Unweltschutz Quellenanlagen und der Untergrund CO2 Installation, Betrieb & Rückbau 2

Forschung im EnBW-Konzern Strategische Holding Aufgaben Operative Strategische Gesellschaften Aufgaben Energie Baden- Württemberg AG EnBW Gesellschaften, z.b. EnBW Vertriebsgesells. mbh Holding Vorstand TF Technologiestrategie Demonstrationsvorhaben U-plus Umweltservice AG EnBW Kraftwerke AG EnBW Regional AG EnBW Energy Solutions GmbH Projektabwicklung A Projektabwicklung B Strategisches Team Forschung und Entwicklung ca. 15 Mitarbeiter Öffentlichkeitsarbeit Kunden Universitäten Industrie Öffentlichkeit Politik Projektabwicklung C Technologie-Monitoring A Technologie-Monitoring B Technologie-Monitoring C 3

Gesucht: Handlungsoptionen einer nachhaltigen Energieversorgung Steigerung der Energieeffizienz Weiterentwicklung auf der Nachfrageseite: auf dem Weg in die Post-Hochenergie-Gesellschaft? Energiesparen Neue Energien Erkundung und Erschließung neuer, auch unkonventioneller Kohlenstoffvorkommen Quelle: Geopower Basel AG Verstärkte Nutzung Erneuerbarer Energien Kernenergie, Fusionsenergie Neue Technologien Weiterentwicklung Erneuerbarer Energien Verbesserung fossiler Energiewandlung (Erzeugungstechnologien) 4 KWK-Technologien, Brennstoffzellen

100 % Erneuerbare Energien? Warum setzen sich erneuerbare Energien nicht ohne Unterstützung durch? Kosten Beispiel Individualverkehr Kosten Privat-PKW typischerweise ca. 0,3 0,6 /km Taxi ca. 1,3 /km Also Schwerpunkt der Energieforschung aus Sicht der EVU s auch die technische Machbarkeit wirtschaftliche Erschließung erneuerbarer Energien Quelle: Kaltschmitt, 2006 und welche Rolle kann die Geothermie dabei spielen? 5

Energiefluss-Diagramm Erdöl Umwandlungsverluste beim Erzeuger Primär-Energie 100 % Steinkohle Umwandlung beim Erzeuger Mineralölerzeugnisse Braunkohle Umwandlungsverluste beim Verbraucher Erdgas End-Energie 64,9 % Gase Briketts, Koks Kernbrennstoffe Elektr. Energie Fernwärme sonst. z.b. Holz Umwandlung beim Verbraucher Nutzenergie 33,2 % Wasserkraft, Windkraft Sonne, Biomasse, sonst. Primärenergie Deutschland 2000 Erdöl 38,6% Steinkohle 13,5% Braunkohle 10,9% Erdgas 21,3% Kernbrennstoffe 13,1% Wasserkraft, Wasserkraft 0,7% Sonne, Biomasse, sonstige 1,9% Primärenergie 483,8 Mio t SKE nergie Deutschland 2000 Kraftstoffe 30,6% Heizöl 13,9% Gase 25,9% Fernwärme 3,6% Strom 18,8% Briketts, Koks 5,2% Sonstige feste Brennstoffe 2,0% nergie 313,4 Mio t SKE Nutzenergie Deutschland 2000 Prozesswärme incl. Warmwasser 29,0% Raumwärme 45,8% Mechanische Energie 22,7% Beleuchtung 0,3% Information u. Kommunikation 2,2% Nutzenergie 160,9 Mio t SKE 6 Quelle: VDEW 2001

Was braucht wie viel Energie? Haushaltsgeräte 6% Beleuchtung 1% Auto 31% Information/Kommunikation 1% Warmwasser 8% Heizung 53% 7

Potential und Marktzahlen Situation in Deutschland Bedarf Warmwasser & Heizung: ~3.500 PJ 1) Technische Potential: ~960 PJ 2) installierte Leistung aktuell: ~ 6-7 P 1) VDEW, 2006 2) Witt & Kaltschmitt, 2005 3) BWP, 2007 50000 Jährliche installierte Anzahl Wärmepumpen in Deutschland 3) 40000 30000 20000 10000 0 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 8 Erdreich Grundwasser Luft

Erdwärmesondenanlagen weltweit Situation weltweit 1) installierte Leistung: ~15.300 MW für Deutschland: eine Verdoppelung in den letzten 3 Jahren auf etwa 1 GW installierte Leistung Schweden (3.800 MW) Dänemark (770 MW) China (610 MW) Kanada (460 MW) 15.300 MW Deutschland (460 MW) Schweiz (460 MW) Norwegen (460 MW) Österreich (310 MW) USA (7.200 MW) Finnland (310 MW) Niederlande (310 MW) Tschechien (150 MW) 1) Witt & Kaltschmitt, 2005 9

Erdwärmesonden mindestens eine EWS pro Gebäude (optimal), Tiefe: 80 130 m mehr als 60% aller WP-Anlagen sind an EWS gekoppelt Entzugsleistung richtet sich nach der Geologie, vor allem aber auch nach dem Verbraucher Vorteile günstige Quelltemperaturen robust, unkompliziert und sehr geringer Platzbedarf Nachteile in wasserwirtschaftlich sensiblen Gebieten praktisch nicht genehmigungsfähig Quelltemperatur variiert in Abhängigkeit von der Entzugsdauer und -leistung, daher kleinere Jahresarbeitszahl als Brunnenanlagen 10

Flächenkollektor flächige Verlegung in ca. 1,5 m Tiefe nicht genehmigungsbedürftig, wenn das Grundwasser tiefer als die Baugrubensohle liegt Entzugsleistung: ca. 10 40 W/m² Vorteile oft kein Genehmigungsverfahren nötig praktisch keine Alterung unterirdischer Anlagenteile Nachteile großer Flächenbedarf die Jahresarbeitszahl ist niedriger als bei Brunnen- oder Erdwärmesondenanlagen 11

Korbkollektor Einbau bis max. 3 m Tiefe nicht genehmigungsbedürftig, wenn das Grundwasser tiefer als die Baugrubensohle liegt Entzugsleistung: keine abgesicherten Angaben möglich Vorteile oft kein Genehmigungsverfahren nötig praktisch keine Alterung unterirdischer Anlagenteile Nachteile großer Flächenbedarf, da etliche Körbe je EFH einzubauen sind die Jahresarbeitszahl ist etwas niedriger als bei Brunnen- oder Erdwärmesondenanlagen 12

Jahreszeitlich bedingte Temperaturschwankungen jahreszeitl. Schwankungen vor allem in den ersten 1-5 m; messbar allerdings bis ca. 20 m Tiefe Bereiche mit Grundwasser haben durch den steten Wasseraustausch eine praktisch ganzjährig konstante Temperatur (ca. 9 15 C) durchschnittl. Temperaturzunahme je 100 m Tiefe am Standort Herbrazhofen ca. 3,4 C je 100 m 13

Temperaturen im Untergrund im Jahresverlauf Vor der Inbetriebnahme Sommerbetrieb (Kühlen) Situation im Herbst Winterbetrieb (Heizen) Situation im Frühling T ca. 10 C ground T : 10 -> 20 C ground T bei ca. 20 C ground T : 20 -> 4 C ground T bei ca. 4 C ground 14

Definition Leistungszahl und Jahresarbeitszahl Leistungszahl (COP) = Heizleistung elektr. Leistungsaufnahme Normpunkte (EN 14511): Sole/Wasser-WP: B0/W35 Wasser/Wasser-WP: W10/W35 (Angaben Prospekte Hersteller) Luft/Wasser-WP: L2/W35 Jahresarbeitszahl = Jahresheizarbeit zugeführte elektr. Jahresantriebsenergie (für Wirtschaftlichkeitsbetrachtung) 15

COP und JAZ COP (Coefficient of Performance) Maschinenbezogen, d. h. Nebenaggregate wie Umwälzpumpen etc. werden nicht berücksichtigt besser zur Einschätzung des Gesamtsystems: Jahresarbeitszahl (JAZ) COP 8 8 7 7 6 Tv 35 C Leistung [kw] 6 5 4 3 2 5 Tv 50 C 1 0 4 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Jahresarbeitszahl [ ] 3 Kälteentzugsleistung Stromaufnahme 16 2-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Soletemperatur ( C) Je geringer die Differenz Quelltemperatur (hier Erdreich) und Zieltemperatur (hier: Raumtemperatur), desto effizienter die Wärmepumpenanlage!

Wärmeverteilsysteme nicht geeignet für WP! geeignet für WP! 17

Emissionen verschiedener Heizungssysteme Grunddaten 18 Vorlauftemperatur Gebäude: 35 C ( Fussbodenheizung ), JAZ: 4 [] deutscher Strom-Mix (ca. 690 g/kwh 1), EnBW: ca. 280 g/kwh) Kühlung nicht berücksichtigt 1) Öko-Institut e.v. (GEMIS), 2006

Genehmigungsverfahren in Baden-Württemberg Quelle: Leitfaden Erdwärmesonden Baden-Württemberg, 2005 19

Genehmigungsrelevante Probleme Verbaute Materialien keine Probleme, Materialien unbedenklich (HDPE, PEX etc.) Bohr- und Hinterfülltechnik Trübung des Grundwassers durch den Bohrbetrieb (Gesteinsreste) Hydraulischer Kurzschluss von mehreren Grundwasserleitern Trübung des Grundwassers mit Hinterfüllmaterial Betrieb der Anlage Strukturelle Veränderung durch den Heiz-/Kühlbetrieb am Hinterfüllmaterial Sondenleckagen (Austritt von alkoholhaltiger Sole) Stilllegung der Anlage Austritt von alkoholhaltiger Sole denkbar auch: Eintrag anderer Schadstoffe über das Bohrloch 20

Lösungen Verbaute Materialien keine weiteren Maßnahmen notwendig Bohr- und Hinterfülltechnik Grundwassertrübung (Bohrbetrieb): wenig Möglichkeiten, aber auch nur sehr lokaler Einfluss, dazu gut abschätzbar Kurzschluss Grundwasserleiter: verbesserte Hinterfülltechniken und verlorene Verrohrung Grundwassertrübung (Hinterfüllmaterial): verbesserte Hinterfülltechniken Betrieb der Anlage Veränderungen am Hinterfüllmaterial: verbesserte Hinterfüllmaterialien Sondenleckagen: Studie der Uni Tübingen ergab, dass vom verwendeten Alkohol keine Gefahr ausgeht (Auftraggeber: Umweltministerium Baden-Württemberg) Stilllegung der Anlage Austritt von alkoholhaltiger Sole / Eintrag anderer Schadstoffe: Auspumpen und Entsorgen der Sole, Verfüllen der Sondenrohre mit einer Zement-/Bentonit- Mischung 21

Reines Wasser vs. alkoholhaltiger Sole-Mix Problematisch Invest deutlich höher Keine Gewährleistung durch die Hersteller von Wärmepumpen 500 Bohrmeter, Entzugsleistung, Entzugsarbeit und Kosten vs. zulässige mittlere Fluidtemperatur EWS 1) 25.000 450 400 350 20.000 300 15.000 250 200 10.000 150 10 0 5.000 50 0 0-6 C -5 C -4 C -3 C -2 C -1 C C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C Benötigte Sondenlänge [m] Entzugsleistung [W/m] Entzugsarbeit [kwh/m] Installationskosten [ ] 22

Geothermieprojekte der EnBW 23

Die Systemoptimierung im Blickfeld Planung Expertentool für die Auslegung von Erdwärmesonden-Feldern unter besonderer Berücksichtigung des Grundwassers Derzeit in der Beta-Test-Phase Geothermiepotentialkarte Nordschwarzwald Produkt Steigerung der Effizienz durch ein thermisch verbessertes Hinterfüllmaterial: Erdwärme besser zur Erdsonde leiten Mitte 2005 in den Markt eingeführt Technik Entwicklung problemangepasster Verpresstechniken Projektstart im Januar 2007 24

Konsequente Weiterentwicklung Prüfung Langzeitstudie Wärmepumpen im Betrieb Messung relevanter Betriebsdaten, Start 2005 Sondenkopf Neuerung Messprogramm alternative Erdwärmetauscher Beginn II. Quartal 2006 Förderung Untergrund Hinterfüllmasse EnBW unterstützt das Geothermie-Förderprogramm des Landes Baden-Württemberg mit 3 Mio. CO 2 -Dampf ( warm ) CO 2 -flüssig (adiabatisch, kalt ) CO2-Dampf Edelstahlrohr Angestrebte Tiefe ca. 300 m 25

Auswahl aktueller Bauprojekte der EnBW EnBW-City Neubau EnBW-Zentrale Stuttgart Derzeit Beginn der Bauarbeiten ca. 800-1000 kw Heiz-/Kühlbedarf Neubau OfficeSenter BIB, Logistikcenter Herrenberg Erdwärmesonden zum Heizen und Kühlen geplant Thermal Response Test bereits durchgeführt, derzeit Simulation und Optimierung je ca. 200 kw Heiz-/Kühlbedarf Kalte Nahwärme in March dezentrales Brunnen-/Rigolensystem zur Wärmeversorgung eines Neubaugebiets Untersuchungen und Bohrarbeiten 2006 abgeschlossen ca. 450/150 kw Heiz-/Kühlbedarf 26

Zusammenfassung und Ausblick Wärmepumpen erstaunliche Zuwächse, vor allem auch, weil wirtschaftlich attraktiv besonders erfolgreich: Koppelung mit Erdwärme CO 2 -Emission günstiger als Heizsysteme auf der Basis fossiler Energieträger ABER: eine sorgfältige und fachgerechte Planung sind hier von zentraler Bedeutung besonders attraktiv: Wärmepumpe mit Strom aus CO 2 -freier Stromproduktion probleme im Zusammenhang mit der Installation Keine Probleme mit den eingesetzten Materialien alkoholhaltige Frostschutzzusätze bei Leckagen und Übertritt ins Grundwasser leicht abbaubar, 27 ABER: Wasser ist ein Nahrungsmittel, daher sind Erdwärmesonden sorgfältig auszuführen und mit Druckwächtern zu versehen Rückbau unproblematisch Grundwasserschutz kann weiter verbessert werden (Hinterfüllung, Bohrung etc.)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit noch Fragen??? 28