Geothermie eine nachhaltige Energienutzung?!

Bad Kötzting 03.07.2012
Geothermie eine
nachhaltige
Energienutzung?!
Prof. Dr. Simone Walker-Hertkorn
Das Kraftwerk Erde
Inhalte
• Vorstellung
• Grundlagen zur Erdwärmenutzung
• Projektablauf
Vorprüfungen/Genehmigung
Planung – Bemessung gemäß VDI 4640
(Stand der Richtlinie VDI 4640, Thermische Nutzung
des Untergrundes)
Thermal-Response Test
Ausführungsplanung / Hydraulische Betrachtungen
• Beispiele
1
Wer bin ich ?!?
Stahl, einwandig
Temperaturgrenze
Temperaturverlauf
70
Kunststoff
Stahl, isoliert
Temperatur [°C]
60
50
40
30
20
10
8030
8230
8430
8630
Zeit [Tage]
8830
9030
0,3
steiles Profil
Relativer Anteil [-]
0,25
moderates Profil
konstantes Profil
0,2
0,15
0,1
0,05
0
Jan
Feb
Mär
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Monate
60
10 m³/h
40
30
20 m³/h
30 m³/h
40 m³/h
Leistung [kW] / Arbeit [MWh/a]
Druckverlust [bar]
50
50 m³/h
20
10
0
2 1/2''
3''
4''
Produktions Tubing (Steigleitung GFK 2000 psi)
5''
1600,0
Netto-Wärmearbeit (Urach 4)
1400,0
Netto-Wärmearbeit (Urach 3)
1200,0
Netto-Entzugsleistung (Urach 4)
1000,0
Netto-Entzugsleistung (Urach 3)
800,0
600,0
400,0
200,0
0,0
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
Sondentiefe [m]
Nachhaltigkeit!
„Die Gemeinsamkeit aller
Nachhaltigkeitsdefinitionen ist der Erhalt eines
Systems bzw. bestimmter Charakteristika eines
Systems, sei es die Produktionskapazität des
sozialen Systems oder des lebenserhaltenden
ökologischen Systems.
Es soll also immer etwas bewahrt werden zum
Wohl der zukünftigen Generationen.“
Quelle: Bernd Klauer: Was ist Nachhaltigkeit? 1999
2
Eine zentrale Frage im 21.Jahrhundert
Nachhaltige Energiesysteme
•
Klimaschonend
•
Geringe
Umweltbelastung
Ressourcenschonend
– Niedrige Emission
•
Klimaschonend
Ressourcenschonend
– Reduzierter
Primärenergiebedarf
•
Ökonomisch
– Sichere Versorgung
– bezahlbar
Ökonomisch
Eine zentrale Frage im 21.Jahrhundert
Geothermie ist ein Teil der Antwort
Nesjavellir, Island
Erdwärmekraftwerk
3
Marktanteile EE
EE - Stromerzeugung
Leistungsbereitstellung 2012
der 5 geothermischen Kraftwerke
4
EE - Stromerzeugung
Quelle: (Sterner et al, 2010)
Marktanteile Wärmeerzeugung EE
5
EE Wärmeerzeugung - Aufteilung
Geothermie bietet Lösungen
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“
6
Hydrothermale Geothermie - Grundprinzip
Thermalwasserförderung
Produktionsbohrung
Injektionsbohrung
Quelle:
Geothermie Unterhaching GmbH & Co KG
(modifiziert)
Enhanced Geothermal System (EGS)
7
Erdreichkollektor
0,4 bis 0,5 m
(Quelle: Bundesverband Wärmepumpe)
Erdwärmekorb
Quelle: Fa. Rehau Serienschaltung
(Quelle: Bundesverband Wärmepumpe)
8
Wärmequelle - Brunnenanlage
→ Grundwasser
Pump-/Injektionsversuch an
einem Probebrunnen bzw. einem
bestehenden Brunnen
Chemische Wasseranalyse
(Quelle: Bundesverband Wärmepumpe)
Machbarkeit: Ja/Nein?
Erdgekoppelte Wärmepumpensysteme
elektrische Energie
Verdichter
Saugleitung
Druckleitung
(Arbeitsmedium gasförmig)
Vorlauf
Heizwärme
Umweltwärme
Verflüssiger
Verdampfer
Rücklauf
Expansionsventil
Einspritzleitung
(Quelle: Bundesverband Wärmepumpe)
Flüssigkeitsleitung (Arbeitsmedium flüssig)
Mehrere Komponenten müssen
eine Einheit bilden
9
Woher kommt die Energie?
Geothermie - Erdwärme
Die Temperatur im Erdkern muss im
Bereich zwischen 4500 und 6500°C
liegen, da der äußere Kern
verschmolzen ist. Aber woher kommt
diese Wärme?
Der radioaktive Zerfall reicht nicht aus,
um die Erdkruste zum Schmelzen zu
bringen. Es wird geschätzt, dass
50 - 70 % der Wärme aus dem ersten
Prozent der geologischen Zeit
stammen. Die Wärme wurden aus der
Energie von Akkretion (Anwachsen
aufgrund von Gravitation), Kernbildung
und späteren Meteoriten Einschlägen
umgewandelt. Seither „wärmt“ die Erde
aus dem Guthaben dieser Zeit, wobei
sie nur sehr langsam abkühlt.
Planungsbüro für Erdwärmesystemec
10
Temperaturverlauf im Untergrund
Quelle: Gebäudekühlung über Erdreichwäremtauscher-Passive Kühlkonzepte – Dipl.-Ing. Ernst Blümel / www.aee.at
Flache Geothermie
Nicht nur der Untergrund muss berücksichtigt werden
Know-How wird benötigt
Einfluss des Untergrundes
Einfluss des Sondenmaterials
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Flache Geothermie
Wärmeinhalt des Untergrundes
T: Temperatur
cp: Wärmekapazität Untergrund
cp,f: Wärmekapazität Fluid
ρ: Dichte Untergrund
ρf: Dichte Fluid
λ: Wärmeleitfähigkeit
v: Geschwindigkeit
Know-How wird benötigt
Projektabwicklung Oberflächennahe Geothermie
Machbarkeit
Genehmigungsfähigkeit
Genehmigungsrechtliche
Auflagen
Bewertung der geothermischen
und bohrtechnischen Standortbedingungen
Vorplanung
Kostenschätzung
Erkundung
Probebohrung
Feldmessungen
Erneute Bewertung der
geothermischen und bohrtechnischen Standort
verhältnisse
nein
ja
Know-How wird benötigt
ja
Realisierbar?
Realisierbar?
KO
nein
KO
Umsetzung
Entwurfsplanung
Genehmigungsplanung
Ausführungsplanung
Ausschreibung
Bauüberwachung
Dokumentation
12
Komplexes Zusammenspiel
Quelle: Prof. Werner Schenk
Ganghofersiedlung Regensburg
• 140 Einfamilienhäuser
• ca. 1,4 MW Gesamtheizleistung
• passive Kühlung
→ Erdwärmesondenfeld mit ca. 500
Bohrungen zwischen 60 und 90 m Tiefe
Temperaturverteilung im Untergrund für den
Monat Januar im 25. Betriebsjahr:
10
Bas is Reinhaus ene r S chichten, 1800 h/a
800
9
750
y-Ric htung [m]
700
8
650
7
600
550
6
500
5
450
400
4
350
200
300
400
500
600
x-Richtung [m]
700
800
3
13
Kreiskrankenhaus Nürtingen
Klinikzentrum:
160
100 kW Heizlast
100 kW Kühllast
450 MWh/a Jahresheizenergie
450 MWh/a Jahreskühlenergie
100
80
Teil 04
31
Teil 03
40
32
Teil 05
20
Outlet
Inlet
Teil 06
0
0
20
20
40
60
80
100
120
140
160
180
x-Richtung [m]
16
12
8
4
0
19.00
19.25
19.50
20th operation year
19.75
20.00
Helixsondenfeld Robatherm
• 200 kW Heizleistung
• 54 kW Kühlleistung
• 216 Helixsonden
Betrieb der Anlage mit TVL/RL < 0 °C
25
Fluid temperature °C
Fluid temperature °C
Verteiler
Teil 02
60
outlet fluid temperature in the boreholes
24
Teil 07
Pfähle
120
→ 300 Energiepfähle mit 10 m Länge
→ Energiepfahlanlage zur Grundlastdeckung
28
Teil 01
140
y-Richtung [m]
•
•
•
•
180
20
15
10
Inlet
Outlet
5
0
-5
19.00
19.25
19.50
20th operation year
19.75
20.00
14
Tiefe Erdwärmesonde Schacht Auguste Victoria Marl
• ca. 60 kW Heizleistung der
Wärmepumpe
• Tiefe Erdwärmesonde mit 700 m,
DA 90mm Doppel-U-Sonde am Stück
• Recycling einer ehemaligen
Schachtanlage
Sonnenberg Ludwigsburg
• 200 kW Heizleistung der
Wärmepumpe
• Regeneration des
Sondenfeldes über
Blockheizkraftwerk
• Erdwärmesondenfeld mit 50
Bohrungen à 115 m
• bivalenter Betrieb (
15
„Kalte Fernwärme“ – Bonner Bogen
• 12 Hektar Fläche, ehem. Portland Zementwerk
• 56.000 m² Mietfläche, 35.000 m² Bürofläche
• 40 Firmen
Grundwasser-Wärmepumpe und Aquiferspeichersystem
(Quelle: ISH Stawiarski, 2011).
„Kalte Fernwärme“ – Campus Hönggerberg
• Campus Hönggerberg der ETH Zürich
(Amstein + Walthert 2012).
16
Zufriedenheit des Verbrauchers
Quelle: bbr-Sonderheft:Marktanalyse Erdwärme
17
Entscheidungsgründe
Quelle: bbr-Sonderheft:Marktanalyse Erdwärme
Energie der Erde
In der Erde steckt ein
riesiges Energiepotential
Dies birgt aber auch Gefahren
18
Vielen Dank!
Technologie – Erdwärmeanlagen – Umwelttechnik GmbH
Am Haag 12
72181 Starzach-Felldorf
www.tewag.de
[email protected]
19