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Nutzung von Aquiferspeichern für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden 13.09.2011Präsentation zur Vorlesung Geothermie bei Prof. Dr. Manfred Koch.

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1 Nutzung von Aquiferspeichern für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Präsentation zur Vorlesung Geothermie bei Prof. Dr. Manfred Koch Dominik Ritter am Beispiel des Energieverbunds Spreebogen Quelle: Itw Stuttgard

2 Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden 2 Aquifere Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen Potential geothermischer Aquiferspeicher in Deutschland Agenda

3 Aquifere Grundwasserführende Schicht hochpermeable Gesteinsschichten mit ausreichend durchlässigem Material, um signifikante Mengen an Wasser zu speichern oder weiterzuleiten hochporöse Sandsteine sowie andere stark geklüftete oder verkarstete Sedimentgesteine Quelle: TAB-Arbeitsbericht Nr.84 Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Quelle: Welt der Physik

4 Aquifere Aquifer-Wärmespeicher nach oben und unten hydraulisch abgeschlossene Grundwasserschichten hydraulische Durchlässigkeit k f > m/s geringe Grundwasserfließgeschwindigkeit biologische & chemische Zusammensetzung Quelle: Schmidt/ Müller-Steinhagen Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Quelle: Schmidt/ Müller-Steinhagen

5 Warum Energiespeicher: Verringerung von Energieverlusten Im Sommer: kaum Abnehmer für Abwärme aus Stromerzeugung (KWK), aber Kühlbedarf (erzeugt auch Abwärme) Im Winter: Kaum Bedarf an der zur Verfügung stehenden Kälte, aber Wärmebedarf Lösung: Langzeitspeicher zur Überbrückung Gut kombinierbar mit Solarthermie (Großanlagen) Problem Langzeitspeicher: konventionelle Speicher sind teuer, verlustreich Lösung: unterirdische, natürlich vorkommende Speicher Möglichkeiten: Erdwärmesonden (20 bis 100m), Aquifere (Tiefe 100m bis 300m wegen Konkurrenz zu Trinkwassernutzung bzw. zu hohen Kosten) Aber: Einleitung von Wasser in Untergrund erfordert Genehmigungen Quelle: VDI Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung

6 Speichermedium ist Grundwasser sowie poröses Gestein Gespeicherte Energie wird direkt / über Wärmepumpe genutzt Aquifere: Tiefe 100m bis 1500m (Optimum bei ca. 200m) Dicke bis 100m (Verteilung der Wärme) möglichst homogene Struktur Einsparungen: Im Schnitt können ¾ der Wärmeenergie eigespart werden Bei Kühlung bis zu 80% Energiekosteneinsparung Bei Kombination ggf. zusätzliche Verbesserung der Energiebilanz Quelle: Schossig, Seibt/ Kabus, Geophysica Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

7 Einsatz besonders bei Gebäuden mit hohem Kühlbedarf im Sommer interessant: Bürogebäude, Einkaufszentren, Krankenhäuser Kongressgebäude, Ausstellungs- & Messehallen Nahwärmenetze Warmwasser & Heizungsunterstützung für Gebäudekomplexe Voraussetzungen: Sehr geringe Strömungsgeschwindigkeit & -richtung Volumen des Aquifers: m³ bis m³ Hydrogeologische Standortbedingungen (weitreichende Kenntnisse aus 1980ern aufgrund von Erdgasbohrungen) Quelle: Geophysica, VDI, AEE Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung

8 Speicher aus mind. einer Bohrgruppe: Entnahme & Injektion Wasserentnahme über Entnahmebohrung aus grundwasserführender Schicht Abgekühltes / aufge- wärmtes Wasser über Injektionsbrunnen wieder in Aquifer einspeisen Abstand der Bohrungen 50 – 300m Quelle: Schossig, Geophysica Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung Quelle: Schossig

9 Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen Investition rund 40Mio. Mark (in Summe) Strom und Wärme bis zu 80% aus erneuerbaren Enegrien Spitzenlast, Erstatzstromversorgung aus öffentlichem Netz CO 2 -Ausstoß wird um mehr als 50% reduziert (gegenüber städtischem Strom & Fernwärme) BHKW mit Bio-Diesel, stromgeführt Abwärme wird direkt genutzt für Heizung, Absorptions-Kälteanlage oder in Aquifer gespeichert 2 Aquifere (für Wärme und Kälte) Quelle: Die Woche Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Quelle: Berliner Morgenpost

10 oberer Aquifer: Kältespeicher: Etwa 50m unter Reichstagsgebäude Süßes Grundwasser Erschlossen durch 5 Bohrungen max. Förderrate 300 m³/h Abkühlung im Winter (Temp. < 0°C) auf 5°C Entnahmetemperatur 6 – 10°C max. Injektionstemperatur 30°C Quelle: Die Woche Berliner Energietage, Huenges Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen Quelle: Huenges

11 unterer Aquifer: Wärmespeicher: Rund 300m Tiefe (durch etwa 60m Tonschicht abgedeckt) Salzhaltiges Sohle-Wasser Erschlossen durch Dublette max. Förderrate 100m³/h Beladungstemperatur: max. 70°C Entnahmetemperatur: 65°C -30°C (mit Wärmepumpe bis auf 20°C möglich) Quelle: Die Woche, Berliner Energietage, Huenges Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen Quelle: Huenges

12 Quelle: Die Woche, Schmidt/ Müller-Steinhagen Beladung der Aquifere: Wärmespeicher: Einspeisung etwa 70°C heißem Wasser Heißes Wasser stammt aus KWK des BHKW Temperatur sinkt bis Beginn der Nutzung auf etwa 65°C Kältespeicher: Wasser wird durch Trockenkühler und Verdampfer abgekühlt und eingespeist (5°C) Bis zum Einsatz der Kälte steigt Temperatur auf 6°C Kühlung über Kühldecken (direkter Wärmetausch) Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen Quelle: Schmidt/ Müller-Steinhagen η 75% η 90%

13 Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen Quelle: Kranz et al.2009 Betriebsumstellungen: niedrigere Einspeichertemperaturen angepasste Abnahme Rückkühlung erst ab 2003 Forschungsprojekt

14 Temperaturverlauf am Bohrungskopf des Wärmespeichers über 3 Zyklen Quelle: Huenges Absinkende Fördertemperatur (dunkelblau) in Entladungsperiode ist Charakteristisch für Aquiferspeicher Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen Quelle: Huenges

15 Quelle: Die Woche Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen in Berlin Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

16 Untersuchung unterstützt von der Europäischen Kommission aus 90er Jahren (DIS NL (1997) - Seasonal thermal energy storage in NW Europe) Unter 70% der Fläche von Deutschland befinden sich Aquifere, die als Wärme- bzw. Kältespeicher genutzt werden können Untersuchung ging nur bis zu einer Tiefe von 150m d.h. das Potential zur Nutzung von Aquiferspeichern ist noch höher Weitere größere Projekte in Deutschland: Fernwärmenetz Neubrandenburg Wohnkomplex Helios in Rostock Quelle: Seibt / Kabus Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Potential geothermischer Aquiferspeicher in Deutschland

17 AEE: Agentur für Erneuerbare Energien e.V. (2009): Hintergrundinformation – Wärme speichern, zugegriffen über: speichern.pdf, am Berliner Energietage: Römmling, U. (2001): Ergebnisse und Erfahrungen bei der Umsetzung des energiesparenden Bauens am Beispiel der Berliner Bundesbauten, zugegriffen über: Publikationen/Projekt-Infos/Zusatzinfos/ _Vortrag_Berliner_Energietage.pdf, am Berliner Morgenpost: Berliner Morgenpost: Geheimpapier offenbart massive Sicherheitslücke, zugegriffen über: politik/article /Geheimpapier-offenbart-massive-Sicherheitsluecken.html, am Die Woche: Die Woche : Der Öko-Reichstag, zugegriffen über: co2/img/Oeko- Reichstag.pdf, am Geophysica: Geophysica Beratungsgesellschaft mbH: Geothermische Aquiferspeicher – Wärme und Kälte aus Grundwasserspeichern, zugegriffen über: am Huenges: Huenges, E. (2006): Geothermie – Nachhaltige Stromerzeugung mit KWK, zugegriffen über: am itw Stuttgard: itw Stuttgard: Aquifer-Wärmespeicher, zugegriffen über: rationelleEnergie/technik/aquifer.php, am Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Quellenverzeichnis

18 Kranz et al. 2009: Kranz, S. et al. (2009): Aquiferspeicher für die Wärme und Kälteversorgung von Gebäuden, zugegriffen über: fileadmin/media/Publikationen/EnOB/EnOB_Statusseminar_2009/ EnOB_Statusseminar_Block_III.pdf, am Schmidt/ Müller-Steinhagen: Schmidt, T.; Müller-Steinhagen, H. (2005): Erdsonden- und Aquifer-Wärmespeicher in Deutschland, zugegriffen über: am Schossig: Schossig, P. (2005): Thermische Speicher, zugegriffen über: Themenhefte/th2005/th2005_06.pdf, am Seibt/ Kabus: Seibt, P.; Kabus, F. (2006): AQUIFER THERMAL ENERGY STORAGE – PROJECTS IMPLEMENTED IN GERMANY, zugegriffen über: am TAB-Arbeitsbericht Nr.84: Paschen, H.; Oertel, D.; Grünwald, R. (2003): Möglichkeiten geothermischer Stromerzeugung in Deutschland, zugegriffen über: (http://www.ipp.mpg.de/ippcms/ep/ausgaben/ep200304/bilder/ab84.pdf, am VDI : VDI Nachrichten : Energie in Aquiferen lagern, zugegriffen über: energietechnik/ %20Energie%20in%20Aquiferen %20lagern%20VDI-N.pdf, am Welt der Physik: Welt der Physik: Sandstein aus dem Ketziner Untergrund, zugegriffen über: de/3730.php?i=5892, am Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Quellenverzeichnis

19 Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen? 19


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