SKEWS (Solargekoppelter kristalliner Erdwärmesondenspeicher): Wärmespeicherprojekt der TU Darmstadt am Campus Lichtwiese Forschungsvorhaben im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung Prof. Dr. Ingo Sass 1, 2 Dr. Kristian Bär 2 Daniel Schulte 1, 2 Bastian Welsch 1, 2 Julian Formhals 2 Dipl.-Ing. Wolfgang Hornich 3 Dr. Sebastian Homuth 3 1 Darmstädter Exzellenz-Graduiertenschule für Energiewissenschaft und Energietechnik 2 Fachgebiet Angewandte Geothermie 3 Züblin Spezialtiefbau GmbH TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 1
Ausgangslage Mehr als 80 % des Endenergiebedarfs dt. Haushalte entfällt auf Wärme Großes Einsparpotential Auch großes Potential für erneuerbare Energien? Endenergieverbrauch deutscher Haushalte (2012) Beleuchtung: 2% sonstiges: 0% Elektrogeräte: 4% Kälte: 4% Kochen: 6% Warmwasser: 15% Raumwärme: 69% AGEB 2013 TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 2
Ausgangslage Mehr als 80 % des Endenergiebedarfs dt. Haushalte entfällt auf Wärme Großes Einsparpotential Auch großes Potential für erneuerbare Energien? Anteil erneuerbarer Wärmequellen bei ~ 14 % Fossile Brennstoffe immer noch wichtigste Energiequelle Kohle 2% Fernwärme 8% Bereitgestellte Wärme deutscher Haushalte(2012) Erneuerbar 14% Mineralöl 23% Strom 11% Erdgas 42% AGEB 2013 TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 3
Ausgangslage Mehr als 80 % des Endenergiebedarfs dt. Haushalte entfällt auf Wärme Großes Einsparpotential Auch großes Potential für erneuerbare Energien? Anteil erneuerbarer Wärmequellen bei ~ 14 % Fossile Brennstoffe immer noch wichtigste Energiequelle Klimaschutzziele zur CO 2 - Emissionsreduktion Handlungsbedarf Kohle 2% Fernwärme 8% Erneuerbar 14% Strom 11% Bereitgestellte Wärme deutscher Haushalte(2012) Mineralöl 23% Erdgas 42% AGEB 2013 TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 4
Vorteil saisonaler Wärmespeicherung Sommer: Erzeugungspotential übersteigt Bedarf Winter: Bedarf übersteigt Erzeugungspotential Saisonale Wärmespeicherung kann Versatz von überschussiger Wärmeerzeugung und Wärmebedarf kompensieren Einstrahlung Wärmebedarf Überschusserzeugung Solar nicht-gedeckter Bedarf Solar gedeckter Bedarf www.comtes-storage.eu TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 5
Oberflächennahe Erdwärmesondenspeicher Oberflächennaher EWS-Speicher Lockergestein Grundwasserleiter Viele Sonden i.d.r. < 100 m Festgestein EWS = Erdwärmesonde TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 6
Oberflächennahe Erdwärmesondenspeicher Oberflächennaher EWS-Speicher Thermische Beeinträchtigung Lockergestein Grundwasserleiter Viele Sonden i.d.r. < 100 m Festgestein TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 7
Mitteltiefen Erdwärmesondenspeicher Oberflächennaher EWS-Speicher Mitteltiefer EWS-Speicher Geringerer Platzbedarf Lockergestein Grundwasserleiter Viele Sonden i.d.r. < 100 m Festgestein Wenige Sonden >> 100 m TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 8
Mitteltiefen Erdwärmesondenspeicher Oberflächennaher EWS-Speicher Mitteltiefer EWS-Speicher Geringerer Platzbedarf Viele Sonden i.d.r. < 100 m Thermische Isolierung Wenige Sonden >> 100 m Vernachlässigbare thermische Beeinträchtigung Geringe hydraulische Durchlässigkeiten Konduktiver Wärmetransport vorherrschend Geringer konvektiver Wärmeverlust TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 9
Schema mitteltiefer Erdsonden zur Wärmespeicherung Koaxiale EWS Vorlauftemperatur: 70 110 C Rücklauftemperatur: 25-55 C Bohrtiefe: Einspeicherung 200 bis 1.500 m Thermische Isolation von Aquiferen nötig Entzug Koaxiale EWS Vorlauftemperatur: 70 110 C Rücklauftemperatur: 25-55 C Bohrtiefe: 200 bis 1.500 m Thermische Isolierung von Aquiferen nötig TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 10
Mitteltiefe Erdwärmesondenspeicher: Forschung FG Angewandte Geothermie EWSS Crailsheim Nachweis der Systemtauglichkeit flacher Erdwärmesondenspeicher MHTEWSS Analytische Berechnung, Haustechnik, Bohrtechnik, numerisches 3D-Modell FiF-Projekt Interagierendes Simulationsmodell Gebäude - Speicher TEWS Heubach Bohrungsausbau mitteltiefer EWS im kristallinen Untergrund, Numerische Modellierung des laufenden Betriebs ETOH Dimensionierung, Optimierung und Validierung von Planungsund Bemessungskennwerten Mitteltiefe EWS-Anlage Stock-Resort Praktischer Speicherbetrieb, messtechnische Begleitung, Forschungsbohrung pneumatischer Imlochhammer 2008 2010 2011 2012 2013 2014 2015 TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 11
Numerische Parameterstudie Sondenabstand 5 m, 30. Betriebsjahr 19 28 37 13 7 Größer ist effizienter! TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 12
Numerische Parameterstudie 37 Sonden, 30. Betriebsjahr Speichernutzungsgrad Spez. Entzugsleistung [W/m] Anstieg des Speichernutzungsgrades mit der Sondenlänge Speichernutzungsgrad und mittlere spezifische Entzugsleistung zeigen ein Maximum bei einem optimalen Sondenabstand von 5 m TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 13
Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Ohne Solarthermie Mit Solarthermie Solarthermie spart CO 2 Ist aber teurer Speicherung von Wärme aus Nahwärmenetz steigert BHKW-Effizienz TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 14
Mathematische Optimierung einzelner Designparameter Modellierung einer 400 m Doppel-U-Rohr EWS, 30 Tage mit 20 kw Wärmeentzug bei 0.5 l/s Isolierung des Bohrlochs durch geringwärmeleitfähige Hinterfüllung im oberen Bohrlochabschnitt Isolierung erhöht die Rücklauftemperatur und den Wärmeentzug Verringert die thermische Beeinflussung des flachen Untergrundes Die optimale Länge der Isolationsstrecke soll bestimmt werden TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 19
Optimierungsergebnis Optimale Länge der Isolationsstrecke nach nur 15 Iterationen bestimmt Eine zu lange Isolierungsstrecke verringert die Leistung Rücklauftemperatur wird durch optimierte Isolierung um 1,7 C erhöht Theoretischer maximaler Wirkungsgrad (COP) um 5 % von 8.97 auf 9.44 erhöht TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 19
Integrierte Modellierung von Erdwärmesondenspeichersystemen Heizungsanlage und Gebäudetechnik Beinhaltet eine Vielzahl von Komponenten (z.b. Gebäude, Solarkollektoren, Wärmepumpe, Wärmenetze) Kann mit Hilfe modularer Software zur transienten Simulation der Einzelkomponenten modelliert werden (z.b. MATLAB-Simulink, TRNSYS, SimulationX) Erdwärmesondenspeicher Besteht aus vielen thermisch miteinander interagierenden EWS Kann mit Hilfe finiter element software zur Wärmetransportmodellierung simuliert werden (z.b. FEFLOW, OpenGeoSys, BASIMO 1 ) ( 1 Schulte et al. 2016) TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 17
Gekoppelte Simulation Testmodell Modell des Heizsystems Modell des Speichers TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 18
Gekoppelte Simulation Ergebnisse April 2014 TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 19
TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 20
SKEWS Ziele des Vorhabens Demonstrationsprojekt für einen mitteltiefen Erdwärmesondenspeicher. Wesentliche Aspekte des Projekts sind: Einbindung mitteltiefer (750 m) Untergrundwärmespeicher in (lokale) Wärmenetze zur Verbesserung der Systemeffizienz Entwicklung verbesserter geothermischer Speicherkonzepte für die Wärmeversorgung von Gebäuden Anwendung des hydraulischen Imlochhammer-Bohrverfahrens als innovatives und wirtschaftliches Bohrverfahren Es wird der Nachweis erwartet, dass solche Systeme in größerem Maßstab unter betriebswirtschaftlichen Rahmenbedingungen errichtet und betrieben werden können. Dazu gehört die messtechnische Validierung der gekoppelten Modellierungen und der Bemessungskennwerte für entsprechende Großspeicheranlagen. TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 21
SKEWS Konzept am Projektstandort - Speicherbetrieb Nahwärmenetz Beladung des Speichers Wärme vom Nahwärmenetz bzw. Blockheizkraftwerk am Campus Lichtwiese Einspeicherung mit variablen und konstanten Temperaturen (Bereich: 70 100 C) MT-EWS-Speicher TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 22
SKEWS Konzept am Projektstandort - Entzugsbetrieb Entladung des Speichers Kühlung mit Wärmepumpen Wärmepumpen Entladung mit konstanter Entzugsleistung MT-EWS-Speicher TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 23
Technische Ausführung Komponenten des Systems 4 Erdwärmesonden je 750 m tief Wärmepumpe und Regelungstechnik Wärmenetzanschlüsse Wissenschaftliches Messprogramm: 3 Messstellen (ca. 100 m) Messtechnik in allen Systemkomponenten Nachnutzung ist geplant: Vergrößerung auf Campusmaßstab für effizienten Speicherbetrieb Nachnutzung zur Heizwärmeversorgung als reine Erdwärmesonden Potentieller Standort TU Campus Lichtwiese TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 24
Wärmebedarf [MWh] Rückkühlung [MWh] Temperatur [ C] Temperatur [ C 30 20 Ziele des wissenschaftlichen Messprogramms 20 Monitoring der Experimente durch Temperatur- und Durchflussmessungen Validierung der gekoppelten numerischen Simulationsergebnisse Wärmebedarf der Betriebsszenarien und -zyklen 2500 2000 2362 679 Temperatur [ C] 90 80 70 60 50 40 30 20 70 60 50 40 10 G R Speichertestbetrieb 0 T 01.01.2017 01.01.2018 01.01.2019 01.01.2020 10 G R Speichertestbetrieb 10 G R 0 Speichertestbetrieb T Testbetrieb 0 T 01.01.2017 01.01.2018 01.01 01.01.2017 01.01.2018 01.01.2019Zeitraum 700 600 500 Sondenvorlauf 617 222 60 50 40 30 Sondenvorlauf Zeitraum ZeitraumSondenvorlauf Sondenrücklauf Sondenrücklauf Rückkühlbedarf der Betriebszyklen Sondenrü 1500 713 400 1000 500 0 866 919 253 266 770 266 276 277 301 201 70 75 CXA, 4 l/s CXA, 0,5 l/s CXC, 0,5 l/s Betriebsszenario 300 200 100 0 209 115 96 186 42 35 40 33 34 28 CXA, 4 l/s CXA, 0,5 l/s CXC, 0,5 l/s Betriebsszenario GRT 1. Zyklus 2. Zyklus 3. Zyklus 1. Zyklus 2. Zyklus 3. Zyklus TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 25
Projektpartner und Kooperationen Konsortialführer Fachgebiet Angewandte Geothermie Institut für Angewandte Geowissenschaften Technische Universität Darmstadt Projektpartner Züblin Spezialtiefbau Ges.m.b.H. Assoziierte Projektpartner Fachgebiet Massivbau Technische Universität Darmstadt Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie Untere Wasserbehörde, Regierungspräsidium Darmstadt (UW-RPDA) Bergaufsicht Bergsicherheit, Regierungspräsidium Darmstadt (BA-RPDA) TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 26
Weitere Schritte TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 27
Wir danken für die Förderung und Unterstützung Das Projekt Simulation und Evaluierung von Kopplungs- und Speicherkonzepten regenerativer Energieformen zur Heizwärmeversorgung (HA-Projekt-Nr.: 375/13-14) wird im Rahmen von Hessen ModellProjekte aus Mitteln der Energietechnologieoffensive Hessen Projektförderung in den Bereichen Energieerzeugung, Energiespeicherung, Energietransport und Energieeffizienz gefördert. Darüber hinaus besteht eine Förderung des Projektes Reduzierung des Gebäudewärmebedarfs mittels geothermischer Speicher - Entwicklung eines interagierenden Simulationsmodells über die Förderinitiative Interdisziplinäre Forschung an der TU Darmstadt. Finanzielle Unterstützung besteht durch die DFG Exzellenz Initiative, Darmstädter Exzellenz-Graduiertenschule für Energiewissenschaft und Energietechnik (GSC 1070). TU Darmstadt 11. Tiefengeothermieforum 29.09.2016 Prof. Dr. Ingo Sass 28