SophienHofAbende 02.07.2014 Geothermie in der multivalenten Gebäudeversorgung David Kuntz, Simone Walker-Hertkorn, Markus Kübert tewag GmbH
Geothermische Erschließung Brunnenanlagen/ Grundwasser Erdsonden Thermalwasser Erdkollektoren Hot Dry Rock Grubenwassernutzung 99% > 1.000 C Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der festen Oberfläche der Erde Erschließungstiefe < 400m: Oberflächennahe Geothermie > 400m: Tiefe Geothermie
Energietransport, Quellen & Senken im Untergrund ~ 135 W/m² (Jahresmittel) Biologie Zerfall ~ 0,08 W/m²
Wie Tief? Wärme & Kälte Temperaturniveaus zwischen 0 C 16 C Wärmenutzung über Wärmepumpen (WP) Erdwärmesonden (40 200 m) Brunnen (10 30 m) Wärme & Strom Temperaturniveaus zwischen 30 C 160 C Wärmenutzung über WP oder direkt Erdwärmesonden (400 2.000 m) Brunnen / Doubletten (400 3.000 m)
Offene Wärmegewinnung W - Brunnen Foto: Reber, Flein
Geschlossene Wärmetauscher W - Sonden Tiefe Erdwärmesonde Wärmetauscher Schnitt A-A Flache Doppel-U-Erdwärmesonde Errichtungskosten ~40 60 /m A A Zementation Steigrohr Liner / Casing Koaxialsonde Koaxiale Tiefe-ErdWärme-Sonde Errichtungskosten ~100 300 /m
Grundlegender WärmetransportW Offenes System, direkte Förderung des Wärmeträgers aus der Formation 10 C 20 C Wärmetausch im Zielhorizont, Thermische Leistung P th = Q & c p δt???? 30 C 35 C 40 C Fördertemperatur ± Temperatur des Zielhorizontes
Potential offener Systeme Nutztemperatur 30m: ~11 C Nutztemperatur 800m: ~30-50 C Leistung konstant (hoch) Leistung abhängig von formationsbedingter Förderrate und möglicher Temperaturabsenkung ( Gebäuderücklauf) Alterung & Wartung Fündigkeitsrisiko bei tiefen Bohrungen
Grundlegender WärmetransportW Geschlossenes System, Zirkulation des Wärmeträgers im Bohrlochkanal 50m 450m 10 C 20 C 25 C Wärmetausch über gesamte nicht-isolierte Bohrlochlänge P th Q & c p δt Fördertemperatur ± Vertikale Mitteltemperatur der Wärmetauscherstrecke Rücklauf Vorlauf 1200m 30 C Leistung abhängig von: 2000m 40 C - Länge des Wärmetauschers - Bohrlochausbau - Gebirgseigenschaften - zulässige Abkühlung
Wärmeentzug in Erdwärmesonden rmesonden Ein Beispiel für 1.000 m Annahme homogener Untergrund, kein Grundwasser. OF-Temperatur 10 C, Temperatur in Zieltiefe 1.000 m ~ 40 C. Koaxiale Sonde, keine Isolation. Temperatur Wärmeträgermedium 10 C 16 C Mittlere vertikale Temperatur ~ 25 C Arbeitstemperatur der Sonde bei lastfreier Zirkulation im Bereich 25 C. Zur Wärmegewinnung muss ein lateraler Wärmestrom erzeugt werden Temperaturgefälle erforderlich! Rücklauf Vorlauf Arbeitstemperatur der Sonde abhängig von aktueller Entzugsleistung, Länge des Wärmetauschers (hier 1.000 m), Gebirgs- & Sondeneigenschaften. Temperatur sinkt im Betrieb bis stationärer Wärmestrom erreicht ist! Annahme Betrieb mit 6K Spreizung am Sondenkopf zur Wärmeentnahme. Annahme 12K Abkühlung der Sonde für erforderlichen Temperaturgradienten bei angelegter Entzugsleistung. Sondenbetrieb bei VL16 C, RL 10 C.
Wärmeentzug in Erdwärmesonden rmesonden Ein Beispiel für 100 m Annahme homogener Untergrund, kein Grundwasser. OF-Temperatur 9,5 C, Temperatur in Zieltiefe 100 m ~ 12,5 C. Doppel-U-Sonde. Temperatur Wärmeträgermedium 1 C 5 C Mittlere vertikale Temperatur ~ 11 C Arbeitstemperatur der Sonde bei lastfreier Zirkulation im Bereich 11 C. Zur Wärmegewinnung muss ein lateraler Wärmestrom erzeugt werden Temperaturgefälle erforderlich! Rücklauf Vorlauf Arbeitstemperatur der Sonde abhängig von aktueller Entzugsleistung, Länge des Wärmetauschers (hier 100 m), Gebirgs- & Sondeneigenschaften. Temperatur sinkt im Betrieb bis stationärer Wärmestrom erreicht ist! Annahme Betrieb mit 4K Spreizung am Sondenkopf zur Wärmeentnahme. Annahme 8K Abkühlung der Sonde für erforderlichen Temperaturgradienten bei angelegter Entzugsleistung. Sondenbetrieb bei VL5 C, RL 1 C.
Potential geschlossener Systeme Nutztemperatur 100 m: ~0-8 C Nutztemperatur 1.000 m: ~12-25 C Leistung variabel (30 80 W/m) Leistung abhängig von Vorbelastung, Temperaturniveau ( Gebäuderücklauf) & Wärmetauscherfläche Keine Alterung & Wartung Kein Fündigkeitsrisiko
Geschlossen vs. Offen Leistungsprognose oberflächennah einfach, tiefe Systeme wegen unbekannter hydrogeologischer Situation meist ungewiss Einbindung in Versorgungskonzept aufgrund nahezu konstanter Leistung und Temperatur einfach Wartung & Betrieb anspruchsvoll Leistungsprognose aufgrund des komplexen Wärmetransportes im Untergrund stets anspruchsvoll Einbindung in Versorgungskonzept anspruchsvoll da Leistung und Nutztemperatur variabel ( etwas einfacher oberflächennah über Wärmepumpe) System nahezu wartungsfrei, kein Fündigkeitsrisiko
Gesetzliche Grundlagen - Bundesberggesetz (BBergG) - Wasserhaushaltsgesetz (WHG) - Wassergesetze der Länder L (WG) - Verordnungen zum Schutz von Anlagen zur Gewinnung von Trink- und Heilwasser (TrinkwV( TrinkwV) - Verwaltungsvorschriften für r die Festsetzung von Wasserschutzgebieten - Richtlinien für r Heilquellenschutzgebiete der LAWA - Merkblatt für f r die Erteilung von Ausnahmezulassungen in Wasser- und Heilquellenschutzgebieten - Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen (VAwS( VAwS) - Anforderungen an Erdwärmepumpen, rmepumpen, Beschluss der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) - Leitfaden Erdwärmenutzung rmenutzung der jeweiligen Bundesländer nder - Technische Regelwerke (DIN-Normen, Normen, DVGW-Regelwerke, VDI-Richtlinien ("allgemein anerkannte Regeln der Technik")
Gesetzliche Grundlagen Sondenbohrungen bis 100 m Tiefe Sondenbohrungen größer 100 m Tiefe Wasserrechtliches Zusätzliche Prüfung Verfahren auf bergrechtliche Betriebsplanpflicht, ggf. bergrechtliches Verfahren
Geothermie im Versorgungskonzept Einbindung von geothermischer Wärme / Kälte K in technische Versorgungskonzepte von Gebäuden - Erdwärmesonden rmesonden -
Temperaturentwicklung im Betrieb von Erdwärmesonden rmesonden Überlagerung eines kurzfristigen & langfristigen Faktors: Temperatur im Betriebszyklus (Stunden Tage) = Temperaturabsenkung im Wärmeträgermedium zur Einstellung des Lastabhängigen [kw] Temperaturgradienten zur Bohrlochwand. Mediumstemperatur [ C] Betrieb Betrieb Regenerierung Regenerierung Umgebungstemperatur der Sonde (Monate - Jahre) = Die aus dem langfristigen Wärmeentzug [MWh] resultierende Auskühlung des Reservoirs. Sondenumgebung [ C] 25 20 15 10 0 20 40 60 80 100 120 140 5 0 5 10 15 20 25 Betriebsjahre
Thermische Eigenschaften von Erdwärmesonden rmesonden Sonde muss für Wärmeentzug kälter sein als Umgebung niedrigere Nutztemperatur als im ungestörten Boden Wärmestrom im Untergrund träge niedrige Leistung & Lange Laufzeit Bei einseitigem Wärmeentzug / Wärmeeintrag ändert sich die Temperatur des Untergrundes langfristig Systemprognose über 20-50 Jahre erforderlich für langfristige Betriebssicherheit! Erdwärmesonden schlecht geeignet für Spitzenlasten, gut geeignet für Grundlast auf niedriger Leistung.
Flache Erdwärmesonden rmesonden Thermisches Potential flacher Erdwärmesondenfelder rmesondenfelder Wärmeentzugsleistung: 25 60 W/m Wärmeentzugsarbeit: 40 100 kwh/m pro Jahr
Erdgekoppelte WärmepumpenanlageW elektrische Energie Verdichter Saugleitung (Arbeitsmedium gasförmig) Druckleitung Vorlauf Heizwärme Umweltwärme Verdampfer Expansionsventil Verflüssiger Rücklauf Einspritzleitung Flüssigkeitsleitung (Arbeitsmedium flüssig) Mehrere Komponenten müssen eine Einheit bilden
Planungsziel: Wirtschaftlichkeit / Effizienter Betrieb Wärmequellentemperatur - Richtige Auslegung - Berücksichtigung aller Einflussfaktoren - Fachgerechtes Errichten - Hydraulisch Einregulieren - Heizen & Kühlen (Regeneration) -... Vorlauftemperatur - Exakte Heizlastberechnung - Abschätzung / Berechnung der Jahresheizenergie - Niedertemperatur System / sinnvolles Heizkonzept - Hydraulischer Abgleich -... Regelung Wärmepumpe - Heizkurve - Elektroheizstab ggf. sinnvoll einsetzen - Nutzung der Regelungstechnik
Dimensionierung Erdwärmesondenanlage rmesondenanlage Ziele: Festlegung von Anzahl, Tiefe, Anordnung und Konfiguration der Sonden Simulation der zeitlichen Temperaturentwicklung des Wärmeträgermediums Einhaltung der Temperaturvorgaben der VDI 4640 Blatt 2 (bspw. ± 11 K im Grundlastbetrieb) Werkzeuge: Analytische/semianalytische Modelle (Earth Energy Designer, PILESIM, etc.) Numerische Modelle (SHEMAT, MT3D, etc.) Temperatur Sole [ C] 12 10 8 6 4 2 1 Temperaturvorgabe VDI 4640 0 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 200 150 100 50 Zeitlicher Temperaturverlauf des in den Sonden zirkulierenden Wärmeträgermediums: 11.5 ungestörte Untergrundtemperatur GW-Flow direction 11 Betriebsdauer [Monate] 10.5 11 Borehole heat exchangers 50 100 150 200 250 300 350 400 11.5
Dimensionierung Erdwärmesondenanlage rmesondenanlage Klima (Jahresdurchschnittstemperaturen) Anforderung Heizen + Kühlen (Heiz- und Kühllast, Energiebedarf des Gebäudes) Geometrische Gegebenheiten (Platzverhältnisse für Wärmequelle, Entfernungen zur Wärmepumpe) Eigenschaften des Wärmeträgermediums Geothermische und hydrogeologische Parameter (thermische Leitfähigkeit, Wärmekapazität, Grundwasserfluss) Thermischer Bohrloch Widerstand (Bohrdurchmesser, Ausbaumaterial,...)
Optimierung von Erdwärmesondenfeldern rmesondenfeldern Sondenkonfiguration/- abstand geschlossenes Rechteck offenes Rechteck L-Konfiguration Kosten und Hydraulik sind ebenfalls zu berücksichtigen Gesamtbohrmeter 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Laufzeit Wärmepumpe 1.800 h/a 2.500 m 2.080 m 1.760 m geschllossenes Rechteck offenes Rechteck L-Konfiguration Geschlossene Rechteckanordnung Heizen/Kühlen 3750 3500 3250 2.400 h Regeneration des Feldes durch Kühlung Gesamtbohrmeter 3000 2750 2500 2250 2000 Laufzeit WP 1.800 h 2.000 h 2.200 h 1750 ohne Kühlung mit Kühlung 1500 170 180 190 200 210 220 230 240 250 Jahresheizenergie [MWh]
Thermal Response Test Standortspezifische Bestimmung geothermischer Parameter effektive Wärmeleitfähigkeit λ [W/(m K)] thermischer Bohrlochwiderstand R b [(m K)/W] mittlere Temperatur des ungestörten Untergrundes [ C] Bestimmung von spezifischen Entzugsleistungen ist mit dem TRT nicht (direkt) möglich!!!! Hierfür ist eine Planung erforderlich!! - Die Messung erfolgt an einer vollständig ausgebauten Erdwärmesonde (Messdauer ca. 72 h) - Kontrollierte Zufuhr von Wärme in den Untergrund durch Aufheizung des Wärmeträgermediums - Messung der zeitlichen Temperaturentwicklung im Wärmeträgermedium - Interpretation des Kurvenverlauf mit Hilfe eines Modells Temperatur [ C] 10 15 20 25 30 35 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Zeit [h]
Beispiele für f r Versorgungskonzepte Sinnvolle Versorgungskonzepte Heizen oder Kühlen, multivalente Grundlastdeckung Heizen und Kühlen, saisonale Energiespeicherung Kopplung mit Solarthermie Sinn oder Unsinn?
Zentrale Grundlast für f r ein heißes Nahwärmenetz Effizienz von Rücklauftemperatur des Gesamtnetzes abhängig! Quelle: LEA - Ludwigsburger Energieagentur
Zentrale Wärmequelle W für f r ein kaltes Nahwärmenetz Wärmeerzeugung dezentral Gas BHKW oder Heizkessel zur Spitzenlastsicherung Quelle: LEA - Ludwigsburger Energieagentur
Heizen & Kühlen K Energiespeicherung Kälteverbraucher Solarthermie Rückkühlung Wärmeverbraucher Kälte- Speicher Wärme- Speicher Wärmepumpe Erdwärmesonden
Tiefe Erdwärmesonden rmesonden Thermisches Potential tiefer Erdwärmesonden rmesonden (TEWS) Wärmeentzugsleistung: 50 100 W/m Wärmeentzugsarbeit: 80 200 kwh/m pro Jahr
Ziele der Potentialabschätzung tzung Gewinnbare thermische Bruttoleistung [kw] Gewinnbare Brutto-Wärmemenge [MWh] Bereitstellungstemperatur [ C] Zur Gewinnung erforderlicher Energieaufwand in Leistung [kw] und Arbeit [MWh] sowie die Form der erforderlichen Energie (z.b. elektrisch)
Druckverlust in TEWS (Beispiel Urach 3+4) Druckverlust [bar] 60 50 40 30 20 10 Prognostizierte Druckverluste, 7 Urach Ausbau, 3, 2000m 2.000 Sonde m Sonde 10 m³/h 20 m³/h 30 m³/h 40 m³/h 50 m³/h 0 2 1/2'' 3'' 4'' 5'' Produktions Tubing (Steigleitung GFK 2000 psi) Druckverlust [bar] 30 25 20 15 10 5 Prognostizierte Druckverluste, 9 Urach 5/8 Ausbau, 4, 2000m 2.000 Sonde m Sonde 10 m³/h 20 m³/h 30 m³/h 40 m³/h 50 m³/h Mit freundlicher Genehmigung der EnBW Energie Baden-Württemberg AG 0 2 1/2'' 3'' 4'' 5'' 6'' Produktions Tubing (Steigleitung GFK 2000 psi)
Thermische Leistung vs. Pumpenleistung Beispiel: TEWS Oberbayern, 7 Ausbau <> 9 5/8 Ausbau Indirekte Nutzung über Wärmepumpe Temperaturspreizung T = 4 K Temperaturgradient: 2,8 K/100 m, T VL,min = 10,0 C Leistung [kw] 0 100 200 300 400 500 600 Pumpen-Leistung WP elektrische Leistung Verdampferleistung schmal breit schmal breit schmal breit 1200 m 2000 m 3000 m
Mögliche Ausbaualternativen (Steigleitung) Kunststoff Preiswert Gute Isolationswirkung Begrenzte thermische Beständigkeit Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen begrenzt Wenig Erfahrung im Einbau (bei größeren Tiefen) Stahl Teuer Gute Isolationswirkung nur wenn doppelwandig (evakuiert) Hohe thermische Beständigkeit Zugfestigkeit auch bei hohen Temperaturen gegeben Routinemäßiges Handling GFK PP Doppelwandiger Stahl
Vergleich Ausbaumaterial Beispiel Urach 4, 1500 m, 4 Ausbau Vergleich GFK Einwandiger Stahl Einhaltung der gesetzten Temperaturgrenzen erfordert höhere Spreizung bei drastisch gesenkter Entzugsleistung: GFK Stahl Pumprate [m³/h] Entzugsleistung [kw] Wärmearbeit [MWh/a] Wärmeleitfähigkeit [W/m K] Interner thermischer Widerstand Vor- / Rücklauf [m K/W] Temperaturminimum 22 150 560 GFK ~ 0,4 0,046 16 C 16 80 308 Leistungsverlust: ~ 45% Stahl ~ 50 0,0047-7 C
Indirekte / Direkte WärmenutzungW Direkte Wärmenutzung (Wärmetauscher) Indirekte Wärmenutzung (Wärmepumpe) Temperaturuntergrenze des in die Sonde zurückströmenden Mediums: > 35 C > 12 C Simulationszeitraum 25 Jahre Anpassung über Entzugsleistung (kw) & Wärmearbeit (MWh/a) (Beispielwerte)
Thermisches Netto-Potential (Beispiel Urach 3) Bezogen auf Arbeit / Leistung der TEWS (Gewinnbare Energie / Leistung) (Energie / Leistung Umwälzpumpe) (Leistungs- & Energieanteil des Verdichters bei indirekter Nutzung über eine Wärmepumpe sind ausgeklammert) Leistung [kw] / Arbeit [MWh/a] 1600 1400 Netto-Wärmearbeit (Indirekt) Netto-Entzugsleistung (Indirekt) 1200 Netto-Wärmearbeit (Direkt) 1000 Netto-Entzugsleistung (Direkt) 800 600 400 200 0 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 Sondentiefe [m] Tiefenbereich: Leistungsbereich (blau hinterlegt): Wärmemenge (rot hinterlegt): 2000 3000 m 100 400 kw 500 1600 MWh/a Mit freundlicher Genehmigung der EnBW Energie Baden-Württemberg AG
Direkter Vergleich TEWS Fazit: Gewinnbare Wärmemenge aus der Bohrung Im Vergleich indirekt direkt: Die bei indirekter Gewinnung i.d.r. größere Temperaturabsenkung (niedrigere Bereitstellungstemperatur) ermöglicht Brutto - Potentialsteigerung von direkter zu indirekter Nutzung in Tiefenbereichen ab 2000 m um ca. 50% bis 80%! Zusätzliche Betriebskosten für Temperaturanhebung z.b. mittels Wärmepumpe
Einfluss der Betriebsweise (Urach 3, 2.500m) 0,3 Relativer Anteil [-] 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 steiles Profil moderates Profil konstantes Profil 0 Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Monate Leistung [kw] & Arbeit [MWh/a] 1200 1000 800 600 400 200 Steiles Profil Moderates Profil Konstantes Profil 220 215 210 600 810 1100 2727 3767 5238 6000 5000 4000 3000 2000 1000 Laufzeit [h/a] 0 Leistung [kw] Wärmearbeit [MWh/a] Laufzeit [h/a] 0
TEWS Marl Anbindung zum Verbraucher Quelle bbr Sonderheft 2010 Tiefe Geothermie, S. 80-82 ca. 300 m
Thermisches Fazit Thermische Leistung und Netto-Wärmepotential einer TEWS sind stark abhängig von: Wärmenutzungsform (Direkt Indirekt) Ausbautiefe (Trend: Höheres Potential bei größerer Ausbautiefe) Ausbau erfordert moderne Kunststoffe (geringer Temperaturbeständig und geringere Zugfestigkeit, weniger Erfahrung) oder aufwändig isolierte Stahltubings Thermische Reichweite einer TEWS vergleichsweise gering (< 50 m) (wenn überwiegend konduktiver Wärmetransport) Deutliche Effizienzsteigerungen durch Verlängerung der Laufzeit möglich (ganzjährige Wärmeabnehmer, konstantes Lastprofil) Potentialabschätzung erfordert thermische Modellierung unter Berücksichtigung aller Anlagenparameter
Auslegungsparameter Wärmenutzungskonzept / Abnehmerstruktur (Temperaturniveaus, Leistung, Arbeit, Lastprofile, Direkte / Indirekte Nutzung, Entfernung der Abnehmer zur Bohrung) Geologische und hydrogeologische Standortverhältnisse (Wärmeleitfähigkeiten, Grundwasserströmung, Untergrundtemperaturen, etc.) Anlagenhydraulik (Volumenstrom, Druckverluste, Leistung der Umwälzpumpe, evtl. Wärmepumpe etc.) Konfiguration der TEWS & Bohrung (Casing- und Steigrohrdurchmesser, isolierte Steigrohrstrecken, thermische Materialeigenschaften, Ringraumzementierung, etc.) Erzielbare thermische Leistung und erforderliche Aufwandsenergie (v.a. Umwälzpumpe) sind aufeinander abzustimmen!
Vielen Dank! Innovation in Sachen Geothermie Wo der Taschenrechner aufhört Dr. David Kuntz tewag Technologie Erdwärmeanlagen Umweltschutz GmbH Niederlassung Starzach Am Haag 12 D-72181 Starzach-Felldorf www.tewag.de, dku@tewag.de