Projekt-Info 13/03 - BINE Informationsdienst

Projekt 13_03
18.02.2004
12:25 Uhr
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BINE
Informationsdienst
Aquiferspeicher für das
Reichstagsgebäude
Abb 1
Betriebsergebnisse zeigen Machbarkeit
der Wärme- und Kältespeicherung in
Aquiferen
70-90 Prozent der eingespeicherten
Energie wieder nutzbar
hohe Übereinstimmung von simulierter
und gemessener Temperaturverteilung im
Aquifer bestätigt Umweltverträglichkeit
Energiekonzept Reichstagsgebäude und Berliner Spreebogen: Die bisherigen
Betriebsergebnisse zeigen die Machbarkeit der Wärme- und Kältespeicherung
in Grundwasserleitern im Rahmen eines komplexen Anlagenkonzepts
(Quelle: GTN)
DESIGN WORKS, Bonn
T
ypisch für unsere Breiten ist die jahreszeitliche Verschiebung
von Energieangebot und Energienachfrage. Sie erfordert die
Entwicklung effizienter und kostengünstiger Speichertechnologien: zur Nutzung sommerlicher Wärmequellen für die Heizung im
Winter sowie winterlicher Kältequellen für Kühlzwecke im Sommer.
Während die Kurzzeitspeicherung von thermischer Energie als weitgehend eingeführt gilt, ist die Speicherung über längere Zeiträume
noch nicht allgemein üblich. Grund dafür sind neben den technischen
Herausforderungen vor allem die noch hohen spezifischen Kosten
konventioneller Speichertechnologien. Durch die unterirdische Energiespeicherung ist jedoch eine deutliche Senkung der Kosten möglich.
Neben Speichern mit Erdwärmesonden, die das oberflächennahe
Erdreich bzw. Gesteinsschichten in Tiefen von 20 bis 100 Metern als
Speichermedien erschließen, werden seit etwa 15 Jahren natürlich
vorkommende Grundwasserschichten (Aquifere) für die Speicherung
von Wärme genutzt. Diese wird über Brunnen in den Speicher eingebracht bzw. bei Umkehrung der Durchströmungsrichtung wieder
entnommen. Oberflächennahe Aquifere sind häufig der Trinkwassernutzung vorbehalten. Daher liegen geeignete Schichten eher in Tiefen
unterhalb 100 Meter. Eine Wärmedämmung ist nicht erforderlich.
Aquifer-Wärmespeicher auf hohem Temperaturniveau sind nur bei
sehr großen Speichervolumina (minimal 100.000 m3) sinnvoll.
Vorreiter für derartige technische Lösungen sind bisher Skandinavien,
Belgien und die Niederlande. Das Berliner Reichstagsgebäude ist
nach Rostock-Brinckmannshöhe das zweite Pilotprojekt für die
Anwendung dieser Technologie in Deutschland. Denn neben den
günstigen (hydrogeologischen) Standortbedingungen sollen die neuen
Bundesbauten in Berlin Vorbildfunktion für energiesparendes Bauen
und die Nutzung innovativer Technologien zur Gebäudeenergieversorgung ausüben. Wichtiger Baustein des „Energiekonzepts Spreebogen“
ist die Wärme- und Kältespeicherung in Aquiferen. Im Rahmen eines
von der Bundesregierung geförderten Forschungs- und Messprogramms wurden Betrieb, Energiebilanz und Umweltverhalten der
zwei unterhalb des Reichstagsgebäudes genutzten Aquiferspeicher
untersucht. Zu prüfen war u.a., ob die in der Anlagenplanung vorhergesagten Erwartungen an Energieeinsparung und Emissionsminderung, aber auch an Zuverlässigkeit, Versorgungssicherheit und
Komfort erfüllt wurden.
Projekt 13_03
18.02.2004
13:07 Uhr
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Technik und Anwendung
Aquiferspeicher bestehen in der Regel aus
zwei Bohrungen bzw. Bohrungsgruppen,
die den gleichen Grundwasserleiter erschließen. Sie werden in einem Abstand von
50 bis zu 300 Metern angeordnet, um die
gegenseitige thermische Beeinflussung auszuschließen. Beide Bohrungen sind mit
Pumpen sowie einem Injektionsstrang ausgestattet, die das Durchströmen der Anlage
in beide Richtungen erlauben. Wärmetauscher sind in das die Bohrungen verbindende
übertägige Rohrleitungssystem integriert.
Sie ermöglichen das Einlagern und die Entnahme von Energie. Das aus der „kalten“
Bohrung entnommene Wasser wird im
Sommer mit Wärme (aus Kühlprozessen,
Solaranlagen, der Kraft-Wärme-Kopplung
usw.) beladen und in die „warme“ Bohrung
injiziert, wo sich im Aquifer eine sogenannte
Wärmeblase bildet. Im Winter wird diese
Wärmeblase dann mit umgekehrter Strömungsrichtung abgefördert.
Hydrogeologische Anforderungen
Eine hydrogeologische Voruntersuchung
des Speicherstandortes ist unbedingt erforderlich: Geklärt werden müssen u.a. die
Schichtenabfolge, die Lage und Neigung
des Grundwasserspiegels, die hydraulische
Durchlässigkeit des Untergrunds, die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung des
Grundwassers. Bei Temperaturen über
50°C kann es je nach Beschaffenheit des
Abb 2: Schema eines Aquiferspeichers
Sommer
Winter
MWh) durch Solarenergie gedeckt werden.
Dies war möglich durch niedrige Netzrücklauftemperaturen und die hohe Jahresarbeitszahl (von 4,3) der elektrischen Wärmepumpe,
mit der die saisonal gespeicherte Wärme aus
dem Aquifer zurückgewonnen wird.
In Neubrandenburg soll in Zukunft überschüssige Sommerwärme des seit 1997 in
Betrieb befindlichen GuD-Kraftwerks der
Stadtwerke im Untergrund für eine Nutzung
im Winter gespeichert werden. Als Speicher
dienen Thermalwasser führende Schichten
in 1.200 bis 1.300 m Tiefe, deren 55 °C heißes
Wasser seit 1990 für die Fernwärmeversorgung genutzt wird. Ein Probebetrieb ist Ende
2003 angelaufen.
Abb 3: Bohrarbeiten in Rostock
Projekte in Deutschland
Weitere Pilotprojekte werden in Rostock
und Neubrandenburg betrieben. Die Anlage
Rostock-Brinckmanshöhe – im Rahmen des
Förderkonzepts „Solarthermie-2000“ mit
einem oberflächennahen Aquiferwärmespeicher realisiert – ist seit Herbst 2000 in
Betrieb und versorgt ein großes Mehrfamilien-Reihenhaus mit 108 Wohneinheiten.
Mit guten Ergebnissen: Nach der Aufheizphase im ersten Jahr konnten in 2002 43%
des Jahreswärmebedarfs der Gebäude (664
Energiekonzept Spreebogen
Der Energieverbund im Berliner Spreebogen
umfasst neben dem Reichstagsgebäude und
dem Bundeskanzleramt die benachbarten
Parlamentsgebäude „Jakob-Kaiser-Haus“,
„Paul-Löbe-Haus“ und „Marie-ElisabethLüders-Haus“, in denen die Sitzungsräume
der Bundestagsausschüsse und der Fraktionen
sowie die Abgeordnetenbüros untergebracht
sind. Stromerzeugung und Warmwasserbereitung erfolgen durch zwei mit Biodiesel
angetriebene Blockheizkraftwerke (elektrische
Gesamtleistung 3.200 kW). Der Reststrom
für Spitzenlastzeiten und Ersatzstromversorgung wird aus dem öffentlichen Netz bezogen. Die von den beiden BHKW auf einem
vorliegenden Grundwassers zu chemischen
und physikalischen Veränderungen kommen,
die ohne geeignete Maßnahmen zu einem
Erliegen der Förderung führen können. Jede
Einleitung von Wasser in den Untergrund
muss wasserrechtlich genehmigt werden.
Innerhalb von Trinkwasserschutzgebieten
können Aquifer-Wärmespeicher in der Regel
nur in Zone III B (erweiterte Schutzzone) errichtet werden.
Energiebedarf des Gebäudeensembles
Strom
Wärme
Kälte
8.600 kW
19.500 MWh/a
12.500 kW
16.000 MWh/a
6.200 kW
2.800 MWh/a
Temperaturniveau von 110°C produzierte
Wärme wird direkt zur Versorgung von
Hochtemperatur- und teilweise von Niedertemperatur-Heiznetzen genutzt. Zusätzlich
dient sie dem Antrieb von diversen Absorptionskältemaschinen oder -wärmepumpen.
Abb 4: Bausteine des Energiekonzepts
Reichtagsgebäude (Quelle: GTN)
Pflanzenöl
BINE projektinfo 13/03
Kältespeicher
Kenndaten
Sommer (Beladung)
2
BHKW
Wärmespeicher
Wärmespeicherung im Aquifer
Da die Bedarfskurven von Strom und Wärme nicht synchron verlaufen, wird zeitweise
– überwiegend im Sommer – bei der Stromerzeugung Überschusswärme produziert.
Zu anderen Zeiten – überwiegend im Winter – besteht dagegen eine Deckungslücke
für Wärme. Aus diesem Grund wird überschüssige Wärme saisonal in einem solefüh-
Strom Wärme
renden Aquifer gespeichert.
Die Sandsteinschicht befindet
sich in einer Tiefe von ca. 285
bis 315 Meter. Sie ist durch
mächtige Abdeckungen (Rupelton, ca. 70 m dick) von den
darüber liegenden Schichten
abgetrennt. Die natürliche
Winter (Entladung)
Bilanz
mittlere Fördertemperatur
20°C
Injektionstemperatur
70°C
eingelagerte Wärme
2.650 MWh/a
Fördertemperatur
65-30°C
entnommene Wärme
2.050 MWh/a
Förderaufwand
280 MWh
Verhältnis genutzter
zu eingelagerter Wärme
77%
* Kenndatenermittlung auf Basis dynamischer Simulationsrechnung
Projekt 13_03
18.02.2004
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Aquifertemperatur beträgt ca. 19°C. Die
hydraulischen Eigenschaften des Aquifers
(u.a. 30% Porosität) gestatten es, aus einer
Tiefbohrung im Maximum 100 m3/h Sole
abzupumpen oder eine gleiche Menge zu
verpressen.
Der Speicher wird mit dem Medium bei einer
Temperatur von 70°C beladen und zu einem
späteren Zeitpunkt bei Temperaturen im
Bereich von 65°C bis hin zu 30°C entladen.
Die im Verlauf der Entladungsperiode absinkende Fördertemperatur ist charakteristisch für die Aquiferspeicherung. Ein
Großteil der zurückgewonnenen Wärme
Kältespeicherung im Aquifer
versorgt den Niedertemperatur-Bereich der
verschiedenen Gebäudeheizungssysteme im
direkten Wärmetausch. Eine weitere Auskühlung (bis auf minimal 20°C) kann bei
Bedarf durch Absorptionswärmepumpen
vorgenommen werden, die im Umfang von
ca. 2 MW Kälteleistung installiert sind.
Kenndaten
Sommer (Entladung) Fördertemperatur
Blockheizkraftwerk
Luftkühler
Stromverteilung Wärmeverteilung 110 °C
Absorber
6 °C/12 °C 16°C/19°C
Kältespeicher
Wärmespeicher
max. 30 °C
max. 70 °C
Blockheizkraftwerk
Luftkühler
Stromverteilung Wärmeverteilung 110 °C
Absorber
90 °C/60 °C 45 °C/30°C
Kältespeicher
Wärmespeicher
10 °C ... 30 °C
65 °C ...30 °C
Betriebsverhalten: der erste Jahreszyklus
Die Beladung des Aquifers für den Wärmespeicherbetrieb erfolgt möglichst nahe der
maximal zulässigen Temperatur von 70°C.
Bei hohem Wärmeüberschuss im Sommer
kann kontinuierlich eingespeichert werden.
Typisch war bisher jedoch der stundenweise
Einspeicherbetrieb. Der Aquifer-Wärmespeicher am Reichstagsgebäude wurde bis
zum Herbst 2002 ausschließlich beladen,
so dass das erste reguläre Betriebsjahr mit
der Ausspeicherung im Winter 2002/2003
abgeschlossen wurde. Abb 6 zeigt den Tem-
15-28°C
In einer deutlich geringeren Tiefe
entnommene Kälte
3.950 MWh/a
(ca. 50 m) wurde unter dem
Winter (Beladung)
Mittlere Fördertemperatur
22°C
Spreebogen ein weiterer AquiferInjektionstemperatur
5°C
speicher erschlossen. Er dient
eingelagerte Kälte
4.250 MWh/a
primär der Gebäudekühlung.
Bilanz
Förderaufwand
220 MWh
Süßes Grundwasser (max. 300
Verhältnis genutzter
93%
m3/h aus 5 Bohrungen) wird dazu
zu eingelagerter Kälte
im Winter auf 5°C abgekühlt. Im
* Kenndatenermittlung auf Basis dynamischer Simulationsrechnung:
Temperaturveränderungen während des Entladezyklus sind berückWesentlichen geschieht dies bei
sichtigt. Das System befindet sich noch nicht in „eingeschwungenem
Außentemperaturen unterhalb
Zustand“.
0°C in trockenen Kühltürmen
mittels Umgebungskälte.
den nächsten Winter.
Die im Winter in den Erdboden eingelagerte
Bei der Beladung wird Wasser aus den jeweiKälte versorgt im Sommer Hochtemperaturligen kalten Bohrungen entnommen, erwärmt
Kühlsysteme (16°C/19°C) im direkten Wär(Wärmespeicher: BHKW-Abwärme, Kältemetausch. Absorptionskältemaschinen, die
speicher: Kühlungsabwärme) und in die
mit der Abwärme der Blockheizkraftwerke
warmen Bohrungen injiziert, die sich in 300 m
betrieben werden, bedienen die NiedertemEntfernung befinden. Für die Entladung
peratur-Kältenetze. Der Rückkühlungsbedarf
wird die Strömungsrichtung umgekehrt.
dieser Maschinen wird durch die oben genannten Kühltürme sowie bei hohen
Außentemperaturen durch den Kältespeicher
gedeckt, der so auf maximal 30°C erwärmt
wird. Auf diesem Wege bildet sich erneut
die Wärmequelle der Wärmepumpen für
peraturverlauf über den gesamten Jahreszyklus. Die Beladung begann im April mit
mittleren Temperaturen um 55°C und lief
über den gesamten Sommer. Nach einer
Phase mit nur sporadischer Einlagerung
startete Ende November die Rückförderung
des warmen Wassers (blaue Kurve). Die
Wärmeentnahme erfolgte im Unterschied
zur Beladung kontinuierlich. Selbst die mittleren Raten waren höher als beim Beladen,
so dass die über den Sommer eingelagerte
Wassermenge schneller rückgefördert war.
Abb 6: Jahresgang der Brunnenkopftemperatur an der warmen Seite des
Wärmespeichers
Beladung
Entladung
80
70
60
Temperatur in °C
Abb 5: Schema der Energieströme im
Sommer (oben) und im Winter
(Quelle: GTN)
6-10°C
Injektionstemperatur
50
40
30
20
10
0
Apr. 02
Jul. 02
Nov. 02
Mrz. 02
Prüfung der Umweltverträglichkeit
Entsprechend den Auflagen der Genehmigungsbehörden ist die Umweltverträglichkeit
und Betriebssicherheit der Bohrungen nachzuweisen. Unter anderem zu diesem Zweck
wurde für die im Berliner Spreebogen genutzten beiden Aquifere ein dreidimensionales
numerisches Modell für den Grundwasserund Wärmetransport-Simulator FEFLOW
entwickelt, das nach Eingabe gemessener
Betriebsdaten ein Bild ihres unterirdischen
Zustands liefert; v.a. der Ausdehnung aufgeheizter und abgekühlter Gebiete. Denn
mögliche Umweltschädigungen könnten
durch das in großen Mengen und mit erhöhter
Temperatur in die Aquifere rückgespeiste
Grundwasser hervorgerufen werden. Bisherige Analysen zeigten jedoch, dass keine Probleme zu befürchten sind.
Die seit Ende November 2002 erfolgte
Rückförderung des eingespeicherten warmen
Wassers erlaubte erstmals die Überprüfung
des Modells an Messdaten. Am Beispiel der
Rückfördertemperatur am Kopf der warmen
Bohrung zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung von berechneten und gemessenen
Temperaturen, die die Richtigkeit der Modellgrundlagen bestätigte.
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18.02.2004
12:25 Uhr
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PROJEKTORGANISATION
Testverfahren und -geräte zur Grundwasseranalyse
Für die Erleichterung der Anlagenplanung wurden Testverfahren für Wasserchemie an den Universitäten Stuttgart und Lüneburg entwickelt und erprobt. Dabei konzentrierten sich die Arbeiten
in Stuttgart auf Untersuchungen des Grundwassers: In einem mobilen Testgerät werden die Prozessbedingungen einer Anlage nachgebildet, die Neigung des Grundwassers zur Kalkabscheidung direkt untersucht und eine unkritische maximale Einspeichertemperatur ermittelt. Die
Untersuchungen an acht Grundwässern zeigten, dass die Belagbildung v.a. von der Temperatur
und der chemischen Beschaffenheit des Wassers beeinflusst wird. Die Einspeicherung von Wärme
bis 60°C erscheint grundsätzlich möglich, ohne den Anlagenbetrieb zu gefährden.
Beim Einsatz von Grundwasser mit Karbonathärte ist die Verkalkung der Wärmeaustauscher
ein sehr häufiges Problem. Durch die Universität Lüneburg wurde deshalb eine Detektionsmethode
entwickelt, um Störungen im Wärmeübergang des Wärmeaustauschers frühzeitig zu erkennen.
Zu diesem Zweck wurde der Durchfluss auf beiden Seiten des Wärmeaustauschers präzise
gemessen und in einen Rechner eingespeist. Dadurch konnten Kalkbeläge im Bereich von weniger
als 0,1 mm erkannt werden. Das so gewonnene Signal kann zur Steuerung einer umweltfreundlichen Wasserkonditionierung mit Kohlendioxid verwendet werden und bei minimalem
Stoffeinsatz eine Verkalkung des Wärmeaustauschers verhindern.
Fazit und Ausblick
Das Energieversorgungssystem am Berliner Spreebogen wurde in den Jahren 1997 bis
2003 geplant, errichtet und schrittweise in Betrieb genommen. Es ermöglicht die Erzeugung von 82% des benötigten Stroms und von ca. 90% der jährlich erforderlichen
Heizwärme in Kraft-Wärme-Kopplung mit BHKW. Aus dem Kältespeicher, d.h. aus
der winterlichen Umgebungskälte und der Wärme-Kälte-Kopplung der Wärmepumpen werden 60% des sommerlichen Bedarfes der Gebäudekühlung gedeckt.
Die bisherigen Betriebsergebnisse der beiden Untergrundspeicher zeigen die Machbarkeit der Wärme- und Kältespeicherung in Aquiferen im Rahmen eines komplexen
Anlagenkonzepts. Die Zielwerte, v.a. für Leistungen, Rückfördertemperaturen und
Rückgewinnungskoeffizienten wurden im Wesentlichen erreicht. Die im Zuge der Einfahrphase bei unterirdischen Speichern grundsätzlich nötigen Optimierungsmaßnahmen werden weitere Verbesserungen erbringen. Dazu kommt: Diese Technologie ermöglicht eine deutliche Senkung der Investitionskosten für den Speicherbau.
Betonspeicher
Stahltanks
bis zu 25 Euro/m
(bei Volumina von
100.000 m3)
450 - 120
Euro/m3
(abhängig vom
Speichervolumen)
3.000 - 600 Euro/m
(Angabe für 0,2 bis 100 m3);
bei Großspeichern (10.000 m3)
unter 100 Euro/m3
PROJEKTADRESSEN
• Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut für Angewandte Geowissenschaften
Dr. Burkhard Sanner
Postfach 11 14 40
35359 Gießen
• Geothermie Neubrandenburg GmbH (GTN)
Dr. Frank Kabus
Postfach 11 01 20
17041 Neubrandenburg
• Universität Lüneburg
Institut für Ökologie und Umweltchemie
Prof. Dr. Wolfgang Ruck
Scharnhorststr. 1
21335 Lüneburg
• Universität Stuttgart
Institut für Siedlungswasserbau,
Wassergüte- und Abfallwirtschaft
Dr. Michael Koch
Guido Knoche
Bandtäle 2
70569 Stuttgart
4
BINE projektinfo 13/03
GFK-Speicher
3
▼
▼
3
Projektträger Jülich (PTJ) des BMWA
Forschungszentrum Jülich GmbH
Dr. Volkmar Lottner
52425 Jülich
■ Förderkennzeichen
0329809B
IMPRESSUM
■ ISSN
0937 – 8367
■ Herausgeber
Fachinformationszentrum Karlsruhe,
Gesellschaft für wissenschaftlich-technische
Information mbH
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
■ Nachdruck
Nachdruck des Textes nur zulässig bei
vollständiger Quellenangabe und gegen
Zusendung eines Belegexemplares;
Nachdruck der Abbildungen nur mit
Zustimmung der jeweils Berechtigten.
■ Autor
Uwe Friedrich
BINE Informationsdienst
Kompetenz in Energie
BINE informiert zu Energieeffizienztechnologien und erneuerbaren Energien:
Abb 7: Investitionskosten für realisierte Wärmespeicher-Konstruktionen
(volumenbezogen; inkl. Planung, ohne MwSt.)
Aquiferspeicher
■ Förderung
Bundesministerium für Wirtschaft
und Arbeit (BMWA)
11019 Berlin
432* - 125 Euro/m
(abhängig vom
Speichervolumen)
*Neue Fertigungstechnologie: ab 300 m3
3
ERGÄNZENDE INFORMATIONEN
Service
• Ergänzende Informationen
wie Literatur, Adressen,
Ansprechpartner und InternetLinks sind unter www.bine.info,
„Service/Info Plus“ abrufbar.
In kostenfreien Broschüren, unter
www.bine.info und per Newsletter zeigt
BINE, wie sich gute Forschungsideen in
der Praxis bewähren.
BINE ist ein vom Bundesministerium für
Wirtschaft und Arbeit geförderter Informationsdienst.
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Fon:
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0228 / 9 23 79-0
0228 / 9 23 79-29
E-Mail: [email protected]
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DESIGN WORKS, Bonn
Projekt 13_03