Aquifer speichert Überschusswärme aus Heizkraftwerk

Aquifer speichert Überschusswärme aus Heizkraftwerk
Abb 1
䊳 Tiefenspeicherung sichert ganzjährige
Verfügbarkeit der Warmwasserversorgung und optimiert geothermische
Wärmebereitstellung
䊳 Betrieb seit Frühjahr 2005 ohne technische
Probleme
䊳 Heizleistung von 2,5 MW aus Speicher
dem Fernwärmenetz zugeführt
Ansicht des GuD-Kraftwerks, dessen sommerliche Überschusswärme zur
Tiefenspeicherung genutzt wird. Im Ergebnis gestaltet die Kopplung des
Aquiferspeichers mit der vor Ort bestehenden Geothermieanlage die Energieversorgung der Neubrandenburger Stadtwerke energetisch effizienter und
wirtschaftlicher.
D
ie Kopplung von Stromerzeugung und Abwärmenutzung
kann den Einsatz von Primärenergie deutlich verringern.
Häufig setzt allerdings das jahreszeitliche Auseinanderklaffen von Energieangebot und Energienachfrage hierfür Grenzen.
Während im Sommer die bei der Stromerzeugung entstehende Wärme
oft keinen Abnehmer findet, reicht sie im Winter in Spitzenzeiten als
alleinige Versorgung nicht aus, so dass zusätzliche Kessel in Betrieb
genommen werden müssen.
Effiziente und zu geringen Kosten herstellbare Langzeit-Speicher
könnten hier Abhilfe schaffen; zur Nutzung sommerlicher Wärme für
die Heizung im Winter sowie winterlicher Kälte für Kühlzwecke im
Sommer. Während die Kurzzeitspeicherung von thermischer Energie
inzwischen marktüblich ist, hat sich die Speicherung über längere
Zeiträume noch nicht allgemein verbreitet. Gründe dafür sind neben
den technischen Herausforderungen vor allem die noch hohen spezifischen Kosten. Die unterirdische Energiespeicherung kann diese
jedoch deutlich senken. Neben Erdsonden-Wärmespeichern, die das
oberflächennahe Erdreich bzw. Gesteinsschichten in Tiefen von 20
bis 100 Metern als Speichermedien erschließen, werden seit knapp
20 Jahren natürlich vorkommende, abgeschlossene 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 Trinkwasserversorgung vorbehalten, daher
liegen als Speicher nutzbare Schichten eher in Tiefen unter 100 Meter.
Eine Wärmedämmung ist nicht erforderlich. Aquifer-Wärmespeicher
auf hohem Temperaturniveau sind nur bei sehr großen Speichervolumina (mindestens 100.000 m3) sinnvoll.
In Neubrandenburg wurden gute geologische Voraussetzungen in
Kombination mit einer seit 1987 betriebenen geothermischen Wärmeversorgung genutzt, um die sommerliche Überschusswärme des
örtlichen Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerks in 1.200 Metern Tiefe
zu speichern. Ziel des durch das Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie (BMWi) unterstützten Pilotprojekts war der saisonale Ausgleich der Wärmebilanz des Kraftwerks.
䊳
Saisonale Energiespeicherung in Aquiferen
In Rostock-Brinckmannshöhe wurde im Jahr 2000 zur Wärmeversorgung
von 108 Wohneinheiten in Mehrfamilienhäusern ein Aquifer-Wärmespeicher erschlossen. Er speichert im oberflächennahen Bereich bis in 30 m Tiefe Solarwärme auf einem Temperaturniveau bis maximal 50 °C. Diese Anlage konnte im Jahr 2002 erstmals den geplanten solaren Deckungsanteil
von 50% des jährlichen Gesamtwärmebedarfs erzielen. Ermöglicht wurde
dies durch eine konsequent umgesetzte Niedertemperatur-Haustechnik –
die Radiatoren-Raumheizung ist auf eine Vorlauftemperatur von 45 °C ausgelegt – und den Einsatz einer mit einem 30 m3 - Pufferspeicher kombinierten Wärmepumpe. Der Aquifer-Wärmespeicher funktioniert zuverlässig.
Das Berliner Reichstagsgebäude ist das zweite Pilotprojekt für die Anwendung dieser Technologie in Deutschland. Die neuen Bundesbauten sollen
Vorbildfunktion für energiesparendes Bauen und die Nutzung innovativer
Technologien zur Gebäudeenergieversorgung ausüben. Wichtiger Baustein
des „Energiekonzepts Spreebogen“ ist die Wärme- und Kältespeicherung in
Aquiferen. Das Energieversorgungssystem wurde in den Jahren 1997 bis
2003 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. mittels der winterlichen Umgebungskälte, und der Wärme-Kälte-Kopplung der eingesetzten Wärmepumpen werden 60% des sommerlichen Bedarfs der Gebäudekühlung gedeckt. Die Zielwerte, vor allem für Leistungen, Rückfördertemperaturen und Rückgewinnungskoeffizienten wurden
im Wesentlichen erreicht (siehe auch BINE Projekt-Info 13/03).
Abb 2: Funktionsprinzip einer
hydro-geothermischen Heizzentrale
Geothermische Wärmeversorgung
In 1.000 bis 2.500 Metern Tiefe unter Mecklenburg-Vorpommern und Nordbrandenburg findet
sich eine Schicht salzigen Thermalwassers mit
Temperaturen zwischen etwa 40 und 100 Grad.
Zur energetischen Nutzung werden in die Wasser führende Schicht zwei Bohrungen niedergebracht: eine Förderbohrung und in etwa ein bis
zwei Kilometer Entfernung eine Injektionsbohrung. Eine Tauchpumpe führt das heiße Wasser
䊳
Wetter konstant über viele Jahre - bei einem relativ hohen Fixkostenanteil und vergleichsweise
geringen Betriebskosten. Geothermie ist eng mit
der Entwicklung der Fernwärmeversorgung verknüpft. Als Faustregel gilt, dass ein Versorgungssystem mit mindestens 5 MW Nennanschlussleistung vorhanden sein sollte, sofern nicht ein
entsprechender Dauer-Wärmebedarf z.B. gewerblicher Wärmekunden vorliegt.
Pilotprojekt: Saisonale Speicherung von Überschusswärme
In Neubrandenburg betreiben die Stadtwerke zwei separate Fernwärmenetze: Das
Fernwärmenetz „Rostocker Straße“ wird
seit 1987 durch eine geothermische Heizzentrale versorgt. Zur Förderung und Injektion der benötigten Thermalwassermenge
standen vier Bohrungen zur Verfügung, die
bis in Tiefen zwischen 1.200 m und 1.300 m
reichen. Der direkte Wärmetausch wurde
durch eine Absorptionswärmepumpe und
konventionell befeuerte Kesselanlagen unterstützt.
Abb 3: Kenndaten Fernwärmenetz
„Rostocker Straße“
Heizleistung
12 MW
Vorlauftemperatur
80°C
Rücklauftemperatur
45°C
Geothermische Versorgung 1987-1998
Nutzhorizont
Hettang /
Oberer Postera
Teufe
1.200 – 1.300 m
Mengenstrom
150 m3/h
Thermalwasser-Temperatur
53 – 55°C
2
aus der Förderbohrung über die oberirdische
Thermalwasserleitung einem Wärmetauscher zu.
Dort wird dem Salzwasser aus der Tiefe Wärme
entzogen und auf den Heizwasserkreislauf übertragen, der die Fernwärmeverbraucher beliefert.
Eine Wärmepumpe kann zur weiteren Steigerung geothermischer Wärmeerzeugung vorgesehen werden. Geothermieanlagen liefern Wärme im Grundlastbereich – d.h. unabhängig vom
BINE projektinfo 04/07
Die Grundlast des zweiten Fernwärmenetzes
wird seit 1997 über ein Gas- und Dampfturbinenkraftwerk abgedeckt. Die Vorteile
dieses Heizkraftwerks sind nur wirksam,
wenn Strom und Wärme zum Zeitpunkt der
Erzeugung auch einer Nutzung zugeführt
werden können. Im Winter ist dies kein Problem, im Sommer jedoch ist der Wärmebedarf in Neubrandenburg deutlich zu gering.
Deshalb wurde eine Lösung konzipiert, die
es durch Umbau der bestehenden geothermischen Heizzentrale ermöglicht, die sommerliche Überschusswärme des GuD-Kraftwerks in tiefen Erdschichten zu speichern.
Der Aquiferspeicher besteht aus zwei im Abstand von 1.300 m abgeteuften ca. 1.250 m
tiefen Bohrungen, die mit einer Rohrleitung
verbunden sind. Die aus der sogenannten
„kalten“ Bohrung entnommene Thermalsole wird im Sommer mit – bisher zum
Kühlturm abgeführter – Abwärme aus dem
Kraftwerk aufgeheizt (4 MW) und in die
„warme“ Bohrung injiziert. Dort erhöht sie
das Temperaturniveau des Thermalwassers
von 53°C auf bis zu 80°C.
Abb 4: Fließschema für Sommerund Winterbetrieb
Im Winter wird die Strömungsrichtung des
Thermalwasserkreislaufs umgekehrt. Jetzt
wird Wasser aus der „warmen“ Bohrung mit
70°C gefördert und nach der Wärmenutzung
wieder in die „kalte“ Bohrung geleitet.
Ein modernes Automatisationssystem gewährleistet den zuverlässigen und der jeweiligen
Situation angemessenen Betrieb des Thermalwasserkreislaufs und regelt die Integration
des Speichers in das Gesamtversorgungssystem der Neubrandenburger Stadtwerke.
Der Aquiferspeicher wird vom zentralen Kontrollraum im GuD-Kraftwerk aus beobachtet.
2004; Ende Oktober 2004 waren mehr als
10.000 MWh Wärme eingelagert. Im Januar 2005 wurde das gespeicherte Thermalwasser erstmals gefördert, dem Speicher ca.
3.000 MWh Wärme entnommen. Die Rückgewinnungstemperatur des Thermalswassers betrug anfangs 73°C, nach zwei Monaten immer noch ca. 69°C. Dem von der
geothermischen Heizzentrale versorgten
Fernwärmenetz wurde eine Heizleistung
von im Mittel 2,5 MW aus dem Speicher
zugeführt. Auf den Betrieb einer Wärmepumpe konnte verzichtet werden.
Analyse des Betriebsverhaltens
Abb 5: Wärmeüberschüsse und ihre Nutzung
am 5. und 6. November 2005
Heizleistung [kW]
7.000
Abb 6: Temperaturen der Fernwärme und im Wärmespeicher
am 5. und 6. November 2005
6.000
Direkte Heizung
5.000
.
Überschusswärme
des Kraftwerkes
4.000
3.000
100
Speicherbeladung
Gesamtwärmebedarf
T Vorlauf
95
90
T Rücklauf
85
Temperatur [°C]
䊳
Speicherbetrieb
Basierend auf den Annahmen eines stetigen
maximalen Thermalwasserstroms von 100
m3/h und einer Einlagerungstemperatur von
80°C kamen thermodynamische Berechnungen zu folgendem Ergebnis: Im Zeitraum von
April bis September können ca. 12.000 MWh
Wärme in den Speicher geleitet werden. Davon sollten 8.800 MWh – also etwa 73% –
bei Leistungen von 4,0 bis 2,9 MW im Winter zurück gewonnen werden.
Nach Abschluss der Installationsarbeiten
startete die Wärmeinjektion im Frühjahr
2.000
T Injektion
80
T Förderung
75
70
65
60
Abkühlung
Heiznetz
Aufheizung
S peicher
55
50
1.000
45
40
0
12:00 16:00 20:00 00:00 04:00 08:00 12:00
12:00 16:00 20:00 00:00 04:00 08:00 12:00
Abb 7: Bedarfsdeckung im Fernwärmenetz “Rostocker Straße”
am 23. und 24. Januar 2006
Heizleistung [kW]
6.000
5.000
Entladung
Wärmespeicher
4.000
Gesamtwärmebedarf
3.000
2.000
1.000
0
90
konventionelle
Nachheizung
T Gesamtvorlauf
85
T Vorlauf Speicher
80
T emperatur [°C ]
7.000
Abb 8: Temperaturen der Fernwärme und im Wärmespeicher
am 23. und 24. Januar 2006
T Rücklauf
75
T Förderung
70
T Injektion
65
60
55
Aufheizung
Heiznetz
Abkühlung
Speicher
50
45
40
12:00 16:00 20:00 00:00 04:00 08:00 12:00
12:00 16:00 20:00 00:00 04:00 08:00 12:00
Mittlerweile läuft der Aquifer-Wärmespeicher
über fast zwei vollständige Jahreszyklen
ohne gravierende technische Probleme, nur
gesteuert durch die Wärmeüberschuss-/Wärmebedarfssituation. Dabei wurde auch deutlich: Der Zeitraum, der für die Wärmeentnahme aus dem Speicher zur Verfügung
steht, hat sich gegenüber den Planungen
verkürzt, denn in den letzten Jahren ging
der Wärmeabsatz im Fernwärmenetz durch
Energiesparmaßnahmen zurück.
Die beiden prinzipiellen Betriebsregime des
Speichers lassen sich wie folgt näher beschreiben:
Am 5. und 6. November, typischen Tagen in
der Übergangszeit, stehen aus dem Kraftwerk Überschüsse von 4 bis 5 MW zur Ver-
fügung, die zum Wärmespeicher geleitet
werden. Der Speicher nimmt jeweils die Differenz zwischen diesem Überschuss und der
direkten Nutzung der Wärme im Heiznetz
auf. Das Primärnetz stand an diesem Tag
mit ca. 90°C zur Verfügung. Damit wird
die aus der kalten Bohrung geförderte Thermalsole von ca. 45°C auf ca. 78°C erhitzt
und mit dieser Temperatur in die warme
Bohrung injiziert. Neben dem Speichereffekt zeigt sich ein weiterer Vorteil: Das Primärnetz wird tief ausgekühlt und damit die
Effizienz der Stromerzeugung im Kraftwerk
positiv beeinflusst.
Der 23. und der 24. Januar 2006 waren kalte Tage mit Außentemperaturen unterhalb
von 0°C. Das GuD-Kraftwerk arbeitete mit
maximaler Kapazität. Zusätzlich mussten in
beträchtlichem Umfang Kesselanlagen sowohl für das zentrale Fernwärmenetz als
auch das Netz „Rostocker Straße“ betrieben
werden. Dadurch konnte der Aquiferspeicher
mit maximaler Leistung arbeiten, da er ausschließlich den ineffizienten Kesselbetrieb
verdrängte. An wärmeren Wintertagen mit
nur geringfügigem Betrieb der Spitzenlastkessel bemisst sich der Umfang des Wärmespeicherbetriebs ausschließlich danach, den
Kesselbetrieb einzuschränken. In keinem
Fall darf die Entladung des Wärmespeichers
die direkte Nutzung von Abwärme aus dem
Kraftwerk vermindern.
BINE projektinfo 04/07
3
Geochemisches Monitoring
Neben der energetischen Optimierung ist es vor allem für die Anlagenlebensdauer wichtig, eventuell auftretende Veränderungen bzw. Schädigungen des Speichers durch die
Wärmespeicherung im Auge zu behalten und zu dokumentieren. Darüber hinaus kann
durch die begleitende chemische Analytik Wartungsbedarf bereits im Vorfeld erkannt
werden. Daneben soll geprüft werden, ob Injektionstemperaturen über 80°C möglich
sind. Denn aus dem GUD-Kraftwerk ist Wärme mit solchen Temperaturen verfügbar;
die Wirtschaftlichkeit der Anlage würde dadurch deutlich erhöht werden. Durch das
geochemische Monitoring werden regelmäßig Redoxpotenzial, Leitfähigkeit, Sauerstoffgehalt und Temperatur erfasst. Hinzu kommen Wasservollanalysen, Feststoffuntersuchungen aus Filtraten und die sporadische Kontrolle der mikrobiologischen
Aktivität. Es zeigte sich, dass Veränderungen nur in sehr geringem Umfang im Chemismus des Aquifers stattfinden. Die Erhöhung des Eisengehaltes versus Redoxpotenzial-Veringerung könnte ein Indiz für Korrosion sein. Möglicherweise steht dies aber
in Zusammenhang mit einer zweimonatigen Stillstandszeit der Anlage. Insgesamt sind
die beobachteten Veränderungen so gering, dass bei derzeitigem Anlagenbetrieb keine negativen Folgen durch Feststoffbildung zu erwarten sind.
䊳
Fazit, Ausblick
PROJEKTADRESSEN
• GTN Geothermie
Neubrandenburg GmbH
Dr. Frank Kabus
Seestraße 7 A
17033 Neubrandenburg
• Neubrandenburger
Stadtwerke GmbH
Uwe Richlak
Hartmut Beuster
John-Scher-Straße 1
17033 Neubrandenburg
4
BINE projektinfo 04/07
▼
▼
Im ersten Betriebsjahr erfüllte der Speicher die an seinen technischen Betrieb geknüpften
Erwartungen. Es wurden keine nennenswerten Betriebsprobleme verzeichnet. Abstriche
müssen aktuell noch an der energetischen Effizienz des Speicherbetriebs gemacht werden. Dies hat seine Ursachen allerdings nicht im Speicher selbst, sondern in den Charakteristiken der angeschlossenen Wärmeerzeuger und -abnehmer. Vor allem ein zu
geringes Potenzial der Wärmesenke im Winter bzw. deren zu hohe Heiznetzrücklauftemperaturen verhindern noch die ausreichende Entladung des Speichers.
Die Rücklauftemperaturen des Fernwärmenetzes überschreiten in der Heizperiode
zeitweise deutlich die vorgegebenen maximalen 45°C. Dies liegt vorwiegend am Einsatz der Hausübergabestation in Zeiten der Gebrauchswarmwasserproduktion. Die
aus dem Speicher einkoppelbare Wärmeleistung verringert sich zeitweise um bis zu
40%. Für die nächste Heizperiode sind hier nach Veränderungen an den Stationen
deutliche Verbesserungen zu erwarten. Mittlerweile liegen Betriebserfahrungen über
fast zwei vollständige Speicherzyklen vor. Die Auswertungen zeigten auch, dass bei
Außentemperaturen um 0°C die Leistungsgrenze der Wärmelieferung aus dem Kraftwerk erreicht ist. Es kommt zu zahlreichen und zeitlich nicht vorhersagbaren Wechseln zwischen Wärmeüberschuss und Bedarf an zusätzlicher Heizleistung. Der vor allem
in den An- und Abfahrvorgängen sehr träge Aquiferspeicher kann diese Schwankungen
nicht ausgleichen. Deshalb wurde eine simple Fahrweise festgelegt: Oberhalb einer für
drei Tage vorhersagbaren Tagesmitteltemperatur von 5°C fährt der Speicher grundsätzlich im Einlagerungsregime und unterhalb von entsprechend vorhergesagten 2°C im
Entnahmeregime. Dazwischen bleibt er abgeschaltet.
Die geochemischen Untersuchungen ergaben, dass Veränderungen innerhalb des
Aquiferspeichers nur in sehr geringem Umfang stattfinden. Insgesamt werden die Erfahrungen mit der Neubrandenburger Anlage in Zukunft helfen, die Speicherung von
Wärme höherer Temperaturen im Untergrund konzeptionell weiter zu entwickeln.
Dem dient ein umfangreiches Monitoring-Programm.
PROJEKTORGANISATION
■ Bundesministerium
für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
11019 Berlin
Projektträger Jülich (PTJ)
Forschungszentrum Jülich GmbH
Rolf Stricker
52425 Jülich
■ Förderkennzeichen
0329838A,B
IMPRESSUM
■ ISSN
0937 – 8367
■ Herausgeber
FIZ Karlsruhe
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
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:
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 Technologie geförderter
Informationsdienst von FIZ Karlsruhe.
Kontakt
Fragen zu diesem projektinfo?
Wir helfen Ihnen weiter:
Tel.: 0228 92379-44
ERGÄNZENDE INFORMATIONEN
Links
• http://www.gtn-online.de
• http://www.neu-sw.de
• http://www.gfz-potsdam.de
Service
• Ergänzende Informationen sind
abrufbar bei BINE im Internet unter
www.bine.info (Service/InfoPlus)
sowie unter www.energie-projekte.de
Abbildungsnachweis
• Abb 1-8: GTN, Neubrandenburg
FIZ Karlsruhe, Büro Bonn
Kaiserstraße 185 – 197
53113 Bonn
Tel.: 0228 92379-0
Fax: 0228 92379-29
[email protected]
www.bine.info
KERSTIN CONRADI · Mediengestaltung, Hennef
䊳