Planertage Handout Walker-Hertkorn (18,5 MB) - IDM Energiesysteme
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<strong>IDM</strong> – <strong>Planertage</strong> 2012 Matrei 26.06.2012<br />
Prof. Dr. Simone <strong>Walker</strong>-<strong>Hertkorn</strong><br />
• Nachhaltigkeit<br />
Inhalte<br />
• Projektabwicklung in der Oberflächennahen Geothermie<br />
• Beispiele<br />
Vorprüfungen<br />
Planung – Bemessung einer Erdwärmesondenanlage<br />
Ökonomische Aspekte bei der Planung<br />
CO 2-Einsparpotential<br />
Entwicklung der Betriebskosten<br />
Investkosten vs Betriebskosten<br />
• Zusammenfassung<br />
Nachhaltigkeit!<br />
„Die Gemeinsamkeit aller<br />
Nachhaltigkeitsdefinitionen ist der Erhalt eines<br />
Systems bzw. bestimmter Charakteristika eines<br />
Systems, sei es die Produktionskapazität des<br />
sozialen Systems oder des lebenserhaltenden<br />
ökologischen Systems.<br />
Es soll also immer etwas bewahrt werden zum<br />
Wohl der zukünftigen Generationen.“<br />
Quelle: Bernd Klauer: Was ist Nachhaltigkeit? 1999<br />
Das Kraftwerk Erde<br />
1
Nachhaltige <strong>Energiesysteme</strong><br />
• Klimaschonend<br />
– Niedrige Emission<br />
• Geringe<br />
Umweltbelastung<br />
• Ressourcenschonend<br />
– Reduzierter<br />
Primärenergiebedarf<br />
• Ökonomisch<br />
– Sichere Versorgung<br />
– bezahlbar<br />
Hot Dry Rock<br />
Eine zentrale Frage im 21.Jahrhundert<br />
Klimaschonend<br />
Ressourcenschonend<br />
Ökonomisch<br />
Geothermie bietet Lösungen – Sie ist vielseitig!<br />
Thermalwasser<br />
Brunnenanlagen/<br />
Grundwasser Erdsonden<br />
Erdkollektoren<br />
Grubenwassernutzung<br />
„Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie<br />
(Quelle: Bundesverband Wärmepumpe)<br />
unterhalb der festen Oberfläche der Erde“<br />
Erdgekoppelte Wärmepumpensysteme<br />
Verdichter<br />
Saugleitung<br />
(Arbeitsmedium gasförmig)<br />
Umwelt-<br />
wärme<br />
Verdampfer<br />
elektrische Energie<br />
Expansionsventil<br />
Druckleitung<br />
Verflüssiger<br />
Vorlauf<br />
Heiz-<br />
wärme<br />
Rücklauf<br />
Einspritzleitung Flüssigkeitsleitung (Arbeitsmedium flüssig)<br />
Mehrere Komponenten müssen<br />
eine Einheit bilden<br />
2
Wärmeinhalt des Untergrundes<br />
T: Temperatur<br />
cp: Wärmekapazität Untergrund<br />
cp,f: Wärmekapazität Fluid<br />
ρ: Dichte Untergrund<br />
ρf: Dichte Fluid<br />
λ: Wärmeleitfähigkeit<br />
v: Geschwindigkeit<br />
Woher kommt die Energie?<br />
Flache Geothermie<br />
Know-How wird benötigt<br />
Projektabwicklung Oberflächennahe Geothermie<br />
Machbarkeit<br />
Genehmigungsfähigkeit<br />
Genehmigungsrechtliche<br />
Auflagen<br />
Bewertung der geothermischen<br />
und bohrtechnischen Standort-<br />
bedingungen<br />
Vorplanung<br />
Kostenschätzung<br />
Realisierbar?<br />
KO<br />
nein<br />
ja<br />
Erkundung<br />
Probebohrung<br />
Feldmessungen<br />
Erneute Bewertung der<br />
geothermischen und bohr-<br />
technischen Standortver-<br />
hältnisse<br />
nein<br />
Realisierbar? KO<br />
ja<br />
Umsetzung<br />
Entwurfsplanung<br />
Genehmigungsplanung<br />
Ausführungsplanung<br />
Ausschreibung<br />
Bauüberwachung<br />
Dokumentation<br />
3
Geologische<br />
Gegebenheiten<br />
Hohlräume,<br />
Kluftbereiche<br />
Gespanntes<br />
Grundwasser<br />
Artesisch gespanntes<br />
Grundwasser<br />
Wechselhafte Abfolge<br />
Sulfatgestein<br />
Gasvorkommen<br />
Kriterien zur Bewertung eines Projektes<br />
Genehmigungs-<br />
rechtliche<br />
Vorgaben<br />
Bohrtiefenbegrenzungen<br />
Temperaturvorgaben<br />
(thermische<br />
Wechselwirkung mit<br />
benachbarten Anlagen)<br />
Bohrdurchmesser<br />
Altlastenstandort<br />
Wasser- oder Heilquellenschutzgebiete<br />
Bergrecht<br />
(Gewinnung und<br />
Nutzung<br />
unterschiedlichen<br />
Grundstücken, Lage<br />
des BV in einem<br />
Bewillingungsfeld, etc.)<br />
Physikalische<br />
Faktoren<br />
Thermische<br />
Eigenschaften des<br />
Untergrundes<br />
vorhandenes<br />
Bohrareal<br />
Gebäudetechnische<br />
Anforderungen<br />
Art des Wärmeträgermediums<br />
Temperaturvorgaben<br />
Ökonomische<br />
Kriterien<br />
Investitionsvolumen<br />
Amortisation der<br />
höheren<br />
Investitionskosten<br />
„Green Building“<br />
Zertifizierung<br />
Projektabwicklung Oberflächennahe Geothermie<br />
Machbarkeit<br />
Genehmigungsfähigkeit<br />
Genehmigungsrechtliche<br />
Auflagen<br />
Bewertung der geothermischen<br />
und bohrtechnischen Standort-<br />
bedingungen<br />
Vorplanung<br />
Kostenschätzung<br />
Realisierbar?<br />
KO<br />
nein<br />
ja<br />
Erkundung<br />
Probebohrung<br />
Feldmessungen<br />
Erneute Bewertung der<br />
geothermischen und bohr-<br />
technischen Standort<br />
verhältnisse<br />
nein<br />
Realisierbar? KO<br />
Umsetzung<br />
Entwurfsplanung<br />
Genehmigungsplanung<br />
Ausführungsplanung<br />
Ausschreibung<br />
Bauüberwachung<br />
Dokumentation<br />
Entwurfsplanung und Detailkonzeption<br />
TGA-Planung<br />
ja<br />
4
Optimale Einsatzgebiete<br />
Abdeckung von Grundlastanforderungen<br />
Abdeckung über<br />
Wärmepumpe<br />
Dimensionierung von Erdwärmetauscheranlagen<br />
Klima<br />
(Jahresdurchschnitts-<br />
temperaturen)<br />
Geometrische<br />
Gegebenheiten<br />
(Abstände &<br />
Anordnung der<br />
Erdwärmesonden)<br />
Geothermische und<br />
hydrogeologische<br />
Parameter<br />
(thermische Leitfähigkeit,<br />
Wärmekap.,<br />
Grundwasserfluss)<br />
Anforderung<br />
Heizen +<br />
Kühlen<br />
(Heiz- und Kühllast,<br />
Energiebedarf des<br />
Gebäudes)<br />
Eigenschaften des<br />
Wärmeträgermediums<br />
Thermischer<br />
Bohrlochwiderstand<br />
(Bohrdurchmesser,<br />
Ausbaumaterial,...)<br />
Bemessung einer Erdwärmesondenanlage<br />
→ Ziel der Dimensionierung einer Erdwärmesondenanlage<br />
• Festlegung von Anzahl, Tiefe, und Konfiguration der Sonden<br />
• Simulation der zeitlichen Temperaturentwicklung des<br />
Wäremträgermediums<br />
→ Einhaltung der Temperaturvorgaben der ÖWAV Regelblatt 207 ;<br />
-1,5 °C als Mittlere Fluidtemperatur darf nicht unterschritten<br />
werden WP Ein 0° WP Aus -3°.<br />
Zeitlicher<br />
Temperaturverlauf des in<br />
den Sonden<br />
zirkulierenden<br />
Wärmeträgermediums:<br />
ungestörte Untergrundtemperatur<br />
Temperaturvorgabe<br />
5
Ökonomische Aspekte bei der Planung<br />
→ Warum ein Planungsbüro von Anfang an?<br />
Beispiel:<br />
Vorplanung einer<br />
Anlage mit einer<br />
WP-Heizleistung<br />
von 100 kW.<br />
Heizfall, „normale“ Laufzeit<br />
Grundlastdeckung, Heizfall, „hohe“ Laufzeit WP<br />
Bürogebäude, kombinierte Heiz- und Kühlanforderungen<br />
Energiespeicher, ausgeglichene Heiz- und Kühlanforderungen<br />
→ Warum ein Planungsbüro von Anfang an?<br />
Beispiel:<br />
Vorplanung einer<br />
Anlage mit einer<br />
WP-Heizleistung<br />
von 100 kW.<br />
Ökonomische Aspekte bei der Planung<br />
Mögliche Folgen:<br />
Auslegung 50 W/m<br />
50 W/m<br />
Heizfall, „normale“ Laufzeit<br />
VDI 4640 konforme Auslegungen<br />
Grundlastdeckung,<br />
Heizfall, „hohe“ Laufzeit WP<br />
Bürogebäude,<br />
Heiz- und Kühlanforderungen<br />
Unterschätzung des Flächenbedarfs<br />
Unterschätzung der Investitionskosten<br />
Optimierung von Erdwärmesondenfeldern<br />
Sondenkonfiguration/abstand<br />
“geschlossenes”<br />
Rechteck<br />
“offenes”<br />
Rechteck<br />
Heizen/Kühlen<br />
L-Konfiguration<br />
→ Kosten und Hydraulik sind<br />
ebenfalls zu berücksichtigen<br />
→ Regeneration des Feldes durch<br />
Kühlung<br />
Laufzeit Wärmepumpe 1.800 h/a<br />
Geschlossene Rechteckanordnung<br />
Energiespeicher,<br />
ausgeglichene Heiz- und<br />
Kühlanforderungen<br />
6
Beispiel 100 kW Wärmepumpenanlage<br />
Investitionskosten<br />
Beschreibung<br />
Investitionskosten<br />
Anlagentechnik<br />
Wärme-/Kältequelle<br />
Betriebskosten<br />
Geothermie Konventionell<br />
reversible Wärmepumpe mit<br />
Erdwärmesondenfeld<br />
75.000 €<br />
(reversible Wärmepumpe)<br />
Erdwärmesondenfeld<br />
(55 €/m)<br />
Gasbrennwertanlage &<br />
Wärmerückgewinnung,<br />
luftgekühlte Kältemaschine<br />
80.000 €<br />
(Gasbrennwert & Lüftungsanlage)<br />
35.000 €<br />
(luftgekühlte Kältemaschine)<br />
Beispiel 100 kW Wärmepumpenanlage<br />
Geothermie Konventionell<br />
Energiekosten 0,15 €/kWh Strom 0,075 €/kWh Gas<br />
Preissteigerungen 4 %/a Strom & Gas<br />
Wirkungsgrad / JAZ<br />
4,0<br />
5,0<br />
Wartungskosten -<br />
weitere Annahmen: 4 % Zinssatz<br />
90%<br />
2,3<br />
1 % Invest<br />
Anlagentechnik<br />
Beispiel 100 kW Wärmepumpenanlage<br />
Betrachtung des reinen Heizfalls<br />
weitere Annahmen: Laufzeit Wärmepumpe 1.800 h/a<br />
-<br />
7
Beispiel 100 kW Wärmepumpenanlage<br />
Einfluss der Kühlung<br />
weitere Annahmen: Laufzeit Wärmepumpe 1.800 h/a<br />
Betriebssicherheit!<br />
⇒ bivalentes Anlagenkonzept<br />
erforderlich<br />
⇒ zusätzliche Investitionen<br />
Beispiel 100 kW Wärmepumpenanlage<br />
Art der Wärmequelle<br />
weiterer Aspekt: Green-Building-Zertifizierung<br />
Gebäude können mit Hilfe verschiedener Zertifikate bezüglich ihrer<br />
Nachhaltigkeit bewertet werden. Hierzu erfolgt eine Überprüfung der<br />
jeweiligen Gebäude an Hand eines vorgeschriebenen<br />
Zertifizierungskataloges.<br />
Die untersuchten Aspekte umfassen alle Bereich des Projektes:<br />
8
CO 2-Einsparpotential<br />
Heizleistung 40 [kW]<br />
Laufzeit 2000 [h]<br />
CO 2 Emission Heizung-Gas<br />
CO 2 -Einsparpotential<br />
CO 2 Emission Strom-Wärmepumpe<br />
Leistungsbild und Honorierung<br />
seit 09/ 2011<br />
AHO-<br />
Planungsleistungen<br />
Im Bereich der<br />
Oberflächennahen<br />
Geothermie<br />
CO 2-Emission=47/COP<br />
Konventionelles Heizsystem<br />
229 [g/kWh]<br />
594 [g/kWh]<br />
9
• 140 Einfamilienhäuser<br />
• ca. 1,4 MW Gesamtheizleistung<br />
• passive Kühlung<br />
→ Erdwärmesondenfeld mit ca. 500<br />
Bohrungen zwischen 60 und 90 m Tiefe<br />
Temperaturverteilung im Untergrund für den<br />
Monat Januar im 25. Betriebsjahr:<br />
• 40 Mehrfamilienhäuser<br />
• ca. 900 kW Gesamtheizleistung<br />
→ Erdwärmesondenfeld mit ca. 450<br />
Bohrungen à 75 m Tiefe<br />
Temperaturverteilung um das<br />
Erdwärmesondenfeld,<br />
Januar im 25. Betriebsjahr<br />
Komplexes Zusammenspiel<br />
Ganghofersiedlung Regensburg<br />
Wohngebiet Moorlage, Horn<br />
Sondenfeld<br />
Quelle: Prof. Werner Schenk<br />
10
Klinikzentrum:<br />
• 100 kW Heizlast<br />
• 100 kW Kühllast<br />
• 450 MWh/a Jahresheizenergie<br />
• 450 MWh/a Jahreskühlenergie<br />
Kreiskrankenhaus Nürtingen<br />
→ 300 Energiepfähle mit 10 m Länge<br />
→ Energiepfahlanlage zur Grundlastdeckung<br />
• 200 kW Heizleistung der<br />
Wärmepumpe<br />
• Regeneration des<br />
Sondenfeldes über<br />
Blockheizkraftwerk<br />
• Erdwärmesondenfeld mit 50<br />
Bohrungen à 115 m<br />
• bivalenter Betrieb (<br />
• Machbarkeitsstudie<br />
zur geothermischen Nutzung des<br />
neuen Stadttunnels<br />
„Stadtmitte am Fluss“<br />
Energiepfahl<br />
Sonnenberg Ludwigsburg<br />
Stadttunnel Saarbrücken<br />
11
Tiefe Erdwärmesonde Schacht Auguste Victoria Marl<br />
• ca. 60 kW Heizleistung der<br />
Wärmepumpe<br />
• Tiefe Erdwärmesonde mit 700 m,<br />
DA 90mm Doppel-U-Sonde am Stück<br />
• Recycling einer ehemaligen<br />
Schachtanlage<br />
„Helixsonden“feld Robatherm<br />
• 200 kW Heizleistung<br />
• 54 kW Kühlleistung<br />
• 216 Helixsonden<br />
Betrieb der Anlage mit T VL/RL < 0 °C<br />
Erdsolespeicher – Obi Markt Graz<br />
Solarkollektoren<br />
(162 Module, IS PRO 2H, 324,5 m ² Absorberfl ä che)<br />
W ä rmepumpen<br />
(2 mal 287 kW Heizleistung)<br />
Pelletkessel<br />
(2ter W ä rmeerzeuger)<br />
Geb ä ude<br />
(600 MWh Jahresheizenergiebedarf)<br />
Erdsolespeicher<br />
12
Tiefe Erdwärmesonde Zürich Triemli<br />
• ca. 150 bis kW Verdampferleistung<br />
• 700 bis 1.100 MWh/a<br />
• Tiefe Erdwärmesonde mit 2.400 m<br />
• Kombination mit Erdwärmesondenfeld<br />
Wirtschaftlichkeit von geothermischen Anlagen<br />
„Kalte Fernwärme“ – Campus Hönggerberg<br />
• Campus Hönggerberg der ETH Zürich<br />
Entwicklung der Energiekosten<br />
… eine Trendanalyse: ohne Ergebnis!<br />
Erschreckenderweise kein<br />
deutlicher Trend erkennbar<br />
Quelle: Prof. Uwe Rotermund, FH Münster, 2008<br />
Erwartung<br />
(Amstein + Walthert 2012).<br />
13
Invest- vs. Betriebskosten<br />
„….Wir investieren lieber etwas mehr in die Errichtung und sparen<br />
hierdurch Nutzungskosten…“ Wie sieht es damit bisher aus?<br />
Stimmt wohl nicht, denn sonst müsste der Verlauf so aussehen<br />
Betriebskosten<br />
spez. Errichtungskosten<br />
Quelle: Prof. Uwe Rotermund, FH Münster, 2008 TGM = Techn. Gebäudemanagement (inkl. Energie)<br />
Feldtest - Erfahrungen<br />
Zusammenfassung<br />
Gebäude (Architektur, TGA), Wärmepumpe (TGA,<br />
Geothermie) und Wärmequelle (Geothermie) müssen eine<br />
Einheit bilden.<br />
Geothermische Anlagen sind eine innovative und<br />
wirtschaftliche Wärme- und Kältequelle.<br />
Pauschalwerte bei der Planung werden der<br />
Komplexität geothermischer Anlagen (Thema 50 W/m)<br />
nicht gerecht, für die langfristige Betriebssicherheit<br />
und für die Ausführung effizienter und damit<br />
wirtschaftlicher Anlagen bedarf es einer<br />
angemessenen geothermischen Planung.<br />
Nachhaltig und Effizient muss die Lösung sein.<br />
14
Um das Ziel zu erreichen<br />
Wir müssen Hand in Hand arbeiten<br />
Technologie – Erdwärmeanlagen – Umwelttechnik GmbH<br />
Am Haag 12<br />
72<strong>18</strong>1 Starzach-Felldorf<br />
w w w . t e w a g . d e<br />
info@tewag.de<br />
Vielen Dank!<br />
15
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