VL Geothermie Gekoppelte Solar-Geothermik-Niedertemperatur-Nutzung

Gliederung Einführung in die Solarthermie Grundlagen der geothermischen Energienutzung Geo-Solarthermie

Einführung in die Solarthermie

Solarthermische Kombianlage Anlagenschaubild Kollektor Speicher Nachheizung Warm-wasser Heiz- kessel Raumheizung Kalt- wasser Institut für Solar- & Anlagentechnik, Uni Kassel [2007] Kombianlage: Solarthermische Anlage zur - Trinkwarmwasserbereitung - solaren Raumheizungsunterstützung

Solarthermische Kombianlage Dimensionierung Ein- / Zweifamilienhaus Wärmebedarf allgemein konkret nahezu antizyklisch (zur Solareinstrahlung) 30 … 100 kWh/m²Wohnfläche * a Speicher 60 ... 80 Liter pro m²col Kollektor 10 … 15 m²col Solarertrag 250 ... 350 kWh/m²col * a Solare Deckungsrate 20 … 25 % Kollektor > 15 m²: Nutzen zusätzlicher Kollektorfläche sinkt merklich (Fl. 17 im Skript) Speichergröße: nur mit geringem Einfluss auf den Solarertrag (Fl. 18 im Skript)

Solarthermische Kombianlage Betriebszeiten & Erträge Solares Wärmeangebot Wärmebedarf Sonne steht nicht immer im ausreichenden Maß zur Verfügung. Tage mit geringer Sonneneinstrahlung müssen mit entsprechend großen Speichersystemen überbrückt werden (Speicher hält meist wenige Tage warmes Wasser vor) Institut für Solar- & Anlagentechnik, Uni Kassel [2007]

Solarthermische Kombianlage Betriebszeiten & Erträge Solares Wärmeangebot (bei doppelter Kollektorfläche) Wärmebedarf Es ist sehr aufwendig, Gebäude ausschließlich mit Solarenergie zu heizen. Institut für Solar- & Anlagentechnik, Uni Kassel [2007]

Solarthermische Kombianlage Betriebszeiten & Erträge Notwendige Nachheizung Ungenutzter solarer Überschuss Notwendige Nachheizung Im Winter reicht die die Sonnenenergie nicht aus, im Sommer steht dagegen ein enormer Überschuss an Solarwärme zur Verfügung, der nicht genutzt werden kann, oder nur mit großem Aufwand mit Hilfe von Saisonalspeichern genutzt werden kann. Daher werden Solarheizsysteme üblicherweise mit einem zweiten Heizsystem, üblicherweise mit einem Öl- oder Gasbrenner, kombiniert. Solar gedeckter Bedarf

geothermische Energienutzung Grundlagen der geothermische Energienutzung

Oberflächennahe Geothermie Funktionsprinzip Wärmepumpe Verdichter + 2 °C 4,5 bar + 55 °C 17 bar Zugeführte Wärme (+ 7 K) Abgeführte Wärme (- 30 K) Wärmepumpe ist notwendig, da die Temperaturniveau, das die Erdsonden bereitstellen, nicht für TWW oder Heizung ausreicht. Dargestellt ist das Prinzip einer elektrisch betriebenen Kompressionswärmepumpe. 1. Verdampfer Der Verdampfer nimmt die Umgebungswärme auf. Das Kältemittel kann dort durch seinen niedrigen Siedepunkt auch bei tiefen Temperaturen (z.B. -5 °C / 4,5 bar) vollständig verdampfen und dabei große Energiemengen aufnehmen. Der Energieinhalt im Kreislauf steigt auf ein höheres Niveau (Kältemittel: flüssig -> gasförmig). 2. Kompressor Der Kompressor verdichtet das gasförmige Kältemittel unter Zuführung von elektrischer Antriebsenergie, wodurch Temperatur und Druck stark ansteigen (z.B. auf 55 °C / 17 bar) 3. Verflüssiger Im Verflüssiger wird die bei der Verdampfung aufgenommene und die bei Verdichtung zugeführte Wärmeenergie an das Heizsystem wieder abgegeben (Kondensation des Kältemittels = gasförmig -> flüssig) Dabei sinkt die Temperatur des Kältemittels unter den Taupunkt (z.B. 25 °C / 17 bar) 4. Expansionsventil Das Expansionsventil entspannt den hohen Druck von der Verflüssigerseite (z.B. wieder auf 4,5 bar). Dadurch sinkt neben dem Druck auch die Temperatur (z.B. auf – 5 °C). Der Prozess kann von vorne beginnen. Antriebsenergie Verdampfer Verflüssiger - 5 °C 4,5 bar + 25 °C 17 bar Expansionsventil Institut für angewandte Physik, Uni Frankfurt am Main [2007]

Oberflächennahe Geothermie Leistungszahl & Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe Leistungszahl (COP: Coefficient of Performance) Jahresarbeitszahl (SPF: Seasonal Performance Factor) Momentanwert für Effizienz COP abhängig von DT zwischen Wärmequelle (Erdsonde / -kollektor) & Wärmenutzungsanlage (Niedertemp.-heizung) COPreal berücksichtigt thermische, mechanische & elektrische Verluste Energiebedarf der Hilfsantriebe Die Leistungszahl von Wärmepumpen wird in der aktuellen Literatur als Coefficient Of Performance COP bezeichnet. Der COP ist der Quotient aus der Wärme, die in den Heizkreis abgegeben wird, zur Arbeit, die aufgewendet werden muss um die Temperatur anzuheben. Die Leistungszahl ist immer auf ein bestimmtes unteres und oberes Temperaturniveau bezogen. Daher müssen bei dem Vergleich des COPs verschiedener Anlagen auch die gleichen Temperaturniveaus vorausgesetzt werden (kw/kw). Eine Leistungszahl COP von 4 bedeutet, dass das Vierfache der eingesetzten Leistung als nutzbare Wärmeleistung zur Verfügung steht. [WIKI] Die Leistungszahl von Wärmepumpen hängt primär von der Temperaturdifferenz dT zwischen der Wärmequelle (Umgebung) und der Wärmenutzungsanlage (Heizungsanlage) ab. Je geringer der Temperaturunterschied dT ist, desto höher ist die Leistungszahl und desto besser ist die energetische Qualität. Im Falle des für Wärmepumpen theoretisch idealen, aber praktisch nicht erreichbaren Carnot Prozesses ist die Leistungszahl ausschließlich von den beiden Temperaturen abhängig, zwischen denen der Prozess abläuft. Bedingt durch thermische, mechanische und elektrische Verluste sowie den Energiebedarf der Hilfsantriebe (z.B. Umwälzpumpe?!) ist die real erreichbare Leistungszahl jedoch kleiner. Überschlägig kann für Sole/Wasser-Wärmepumpen ein Wirkungsgrad eta von 0,5 angesetzt werden. [BINE Wärmepumpen S. 13) Die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpenanlage ist der Quotient der von der Wärmepumpenanlage abgegebenen Jahresnutzwärme und der gesamten von der Wärmepumpenanlage aufgenommenen elektrischen Jahresarbeit (kwh/kwh). [BINE Wärmepumpen S. 14) Jahreswert für Effizienz

Oberflächennahe Geothermie Leistungszahl & Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe Leistungszahl in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz Leistungszahl COP Temperaturdifferenz DT 10 20 30 40 50 60 70 80 12 10 8 6 4 2 DT = 25 K COP = 6,0 Leistungszahl COP und Jahresarbeitszahl hängen von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle (Erdsonde) und Wärmeverbraucher (Niedertemperaturheizung) ab: Eine Temperaturdifferenz von DT = 25 K bewirkt einen COP von 6,0. Eine Temperaturdifferenz DT 25 K kann entstehen, wenn z.B. die Erdsonde eine Temperatur von 10 °C bereitstellt und die Heizungsvorlauftemperatur 35 °C beträgt. Bei einer Temperaturdifferenz von DT = 40 K ergibt sich eine COP von 4,0. Es wird ersichtlich: Je geringer die Differenz DT, desto wirtschaftlicher arbeitet die Wärmepumpe bzw. Heizanlage. In der Praxis bewirkt die Verringerung von DT um 1 K eine Stromersparnis bis zu 2,5 %! [Geothermie S. 6] DT = 40 K COP = 4,0 StMUGV [2005] Je geringer DT, desto wirtschaftlicher arbeitet die Wärmepumpe! In der Praxis bewirkt die Verringerung von DT um je 1 K eine Stromersparnis bis zu 2,5 %!

Oberflächennahe Geothermie Erdreichtemperaturen 20 15 10 Temperatur (in °C) 5 Linien erklären Die Erdreichtemperaturen bis in 10 Meter Tiefe folgen dem Verlauf der Lufttemperatur mit einer zeitlichen Verzögerung. Ab ca. 10 m Tiefe ist der Temperaturverlauf das ganze Jahr über nahezu konstant. Bei oberflächennahen Erdwärmekollektoren schwankt also der COP einer Wärmepumpe im zeitlichen Verlauf stark, während er bei tiefen Erdsonden relativ konstant ist. Jan Feb Mrz Apr Mai Juni Juli Aug Sep Okt Nov Dez Monat -5 BINE Informationsdienst [2006]

Geo-Solarthermie

Geo-Solarthermie Anlagenkonzept (Beispiel-Projekt) Kollektorfeld 44 m² Solarregler Solarstation Kombispeicher 400 l Hydraulikbaugruppen Sole/Wasser-Wärmepumpe (mit Pufferspeicher) Heizflächen 300 m² Wärmebedarf (TWW, Heizung) 35.750 kWh Erdsonden 14 Geosticks à 17,5 m 5 6 7 8 9 Ein möglicherweise ideales Zusammenspiel erneuerbarer Energie entsteht, wenn Erdwärme mit Solarenergie kombiniert wird. Bei einem solchen „geo-solarthermischen System“ wird die Solaranlage in den Erdwärmekreis eingebunden. Dies geschieht über folgende Komponenten: 1. Kollektor: spezieller Tieftemperaturkollektor -> geringere Feuchtigkeitsbildung und Ableitung des Kondensats (Taupunktunterschreitung) 2. Solarregeler und Solarstation steuern die Energieflüsse ?! 5. Zur Systemanbindung an Heizkreislauf 7. Niedertemperaturheizung mit niedrigen Vorlauftemperaturen 9. System mit Erdwärmekollektoren ist ebenfalls möglich GEFGA [2006] Schüco [2008]

Geo-Solarthermie Heizenergieverlauf (Beispiel-Projekt) Heizenergie (kWh) Insgesamt werden bei dem Pilotprojekt in Limburg im Jahr 35750 kWh Heizenergie benötigt. Die Heizenergie wird sowohl für die Trinkwassererwärmung als auch für die Raumheizung benötigt. Im Winter wird am meisten Heizenergie verbraucht, im Sommer am wenigsten, da die Raumheizung nicht angestellt wird. Monat GEFGA [2006]

Geo-Solarthermie Energieflüsse Kollektor Erdsonde Kombispeicher Wärmepumpe Direkte Nutzung der Solarenergie bei ausreichenden Temperaturen im Kombispeicher zur TW-Erwärmung & Heizungsunterstützung Unterstützung der Wärmepumpe durch Anhebung des Temperaturniveaus im Solekreis Regeneration des Erdreiches bei Wärmepumpenstillstand & Solarüberschuss Nutzung der im Erdreich zwischengespeicherten Solarwärme beim nächsten Wärmepumpenstart 1 3 2 4 Schüco [2008]

Geo-Solarthermie Vergleich mit konventioneller Geothermie-Anlage Simulierter Jahresverlauf der Sole-Mitteltemperatur & Basistemperatur nach 25 Jahren Betriebszeit der konventionellen Geothermie-Anlage Basistemperatur Sole-Temp (Maximaler Entzug) Temperatur (in °C) Im Winter werden Basis-Temperaturen von -2 °C erreicht und im Sommer von + 7 °C. Die Monate mit den höchsten Erdreichtemperaturen sind Juni, Juli, August. Der Grund ist vor allem darin zu sehen, dass in diesen Monaten aufgrund des geringen Heizenergiebedarfs wenig Energie dem Erdboden entnommen wird. Außerdem ist der Niederschlag im Sommer gering, während die Sonneneinstrahlung Höchstwerte errreicht. Bei maximalem Entzug werden im Winter Soletemperaturen von -6 °C erreicht und im Sommer von 5 °C. (Soletemperatur: Temperatur der Flüssigkeit, die durch Erdsonden zirkuliert) (Basistemperatur: Erdreichtemperatur, Quelltemperatur) Monat GEFGA [2006]

Geo-Solarthermie Vergleich mit konventioneller Geothermie-Anlage Simulierter Jahresverlauf der Sole-Mitteltemperatur & Basistemperatur nach 25 Jahren Betriebszeit der Geo-Solarthermie-Anlage Basistemperatur Sole-Temp (Maximaler Entzug) Temperatur (in °C) Im Winter werden Basis-Temperaturen von 1 °C erreicht und im Sommer von +17 °C. Die Monate mit den höchsten Erdreichtemperaturen sind wieder Juni, Juli, August. Bei maximalem Entzug werden im Winter Sole-Temperaturen von -4 °C erreicht und im Sommer von 13 °C. Das erhöhte Temperaturniveau ist auf die Solarenergieeinlagerung zurückzuführen. Monat GEFGA [2006]

Geo-Solarthermie Vergleich mit konventioneller Geothermie-Anlage Basistemperatur-Differenz zwischen der Geo-Solarthermie-Anlage und der konventionellen Geothermie-Anlage Quelltemperaturerhöhung von 6 K im Jahresdurchschnitt! Temperaturdifferenz (in K) Als gemittelter Wert ergibt sich eine Quelltemperaturerhöhung von über 6 Kelvin im Jahresdurchschnitt und damit eine erhebliche Effizienzsteigerung der Wärmepumpenanlage. Monat GEFGA [2006]

Geo-Solarthermie Vergleich mit konventioneller Geothermie-Anlage Basistemperatur-Verlauf über 25 Jahre Betriebszeit der konventionellen Geothermie-Anlage Maximale Temperatur Temperatur (in °C) Es wird deutlich, dass die Untergrundtemperaturen in den ersten Jahren deutlich fallen und nach etwa 10 Jahren konstant bleiben. Nach diesem Zeitraum hat sich eine entsprechend große Temperatursenke ausgebildet, so dass genügend Energie aus dem Untergrund zu den Erdwärmesonden nachströmen kann. Abgebildet sind die minimalen und die maximalen Erdreichtemperaturen eines Jahres. Im ersten Jahr treten maximale Temperaturen von 11 °C auf und minimale Temperaturen von 1,5 °C. Nach 25 Jahren werden nur noch maximale Temperaturen von 7,8 °C erreicht und sogar minimale Temperaturen von -2,3 °C. Minimale Temperatur GEFGA [2006] Jahr

Geo-Solarthermie Vergleich mit konventioneller Geothermie-Anlage Basistemperatur-Verlauf über 25 Jahre Betriebszeit der Geo-Solarthermie-Anlage Maximale Temperatur Temperatur (in °C) Es wird deutlich, dass sich die maximalen und minimalen Temperaturen nach einem Jahr nicht mehr verändern. Die maximale Temperatur liegt bei knapp über 18 °C und die minimale Temperatur bei 1 °C. Der Grund für das höhere Temperaturniveau liegt in der solaren Regeneration. Minimale Temperatur GEFGA [2006] Jahr

Geo-Solarthermie Vergleich mit konventioneller Geothermie-Anlage Basistemperatur-Verlauf über 25 Jahre Betriebszeit (Vergleich der beiden Anlagen) Max Gestiegene & konstantere Quelltemperaturen! Geo-Solarthermie Temperatur (in °C) Max Der Basistemperaturverlauf der durch Solarenergie regenerierten Erdwärme-Anlage zeigt deutlich gestiegene und konstantere Quellentemperaturen. Geothermie Min Min GEFGA [2006] Jahr

Geo-Solarthermie Zusammenfassung ENDE 30 % Energieeinsparung (gegenüber konventioneller Geothermie-Anlage) Mehrkosten amortisieren sich in der gleichen Zeit wie konventionelle Geothermie-Anlage gegenüber Öl- oder Gas-Heizungssystem Prinzip Sommer: Heizenergie wird g. T. von Solarthermie-Anlage bereitgestellt Überschüssige Solarwärme wird im Erdreich gespeichert Im Winter: Heizenergie wird g. T. von Wärmepumpe bereitgestellt Vorteile Temperaturniveau im Erdreich steigt an Energiesenke (Heizfall) wird mit Einlagerung von Solarenergie wieder gefüllt COP & SPF (die vom zu leistenden Temperaturhub abhängen) steigen an Wärmepumpe verbraucht weniger Strom Jährliche Betriebszeit der Wärmepumpe wird gegenüber einem konventionellen System verringert Längere Lebensdauer der Wärmepumpe (weniger Kompressorstarts & Betriebsstunden) Zur Energiesenke: Wird im Jahresmittel soviel Energie in den Untergrund zurückgeführt, wie ihm entnommen wird, verhält sich eine Geo-solarthermische Anlage wie ein Speichersystem. Solange kein Energieüberschuss in den Untergrund eingelagert wird, entstehen auch keine Speicherverluste. Anstieg des SPF von 4 auf 5,9 Einwand: Sommerliche Kühllast: Bei Ein- und Mehrfamilienhäusern liegt die sommerliche Kühllast in der Regel unter 15 % der Heizlast im Winter. Mit dem Einspeisen der Energie aus dem Gebäude im Sommer kann das Gebäude gekühlt werden. Die eingespeiste Energie reicht jedoch in der Regel nicht aus (bei Verwaltungsgebäuden eventuell schon), den Untergrund nachhaltig zu regenerieren.

Literaturverzeichnis Institut für Solar- & Anlagentechnik, Uni Kassel [2007] Skript zur Vorlesung „Solartechnik“ Institut für angewandte Physik, Uni Frankfurt am Main [2007] Skrip zur Vorlesung „Physik der Energieerzeugung“ Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz (StMUGV) [2005] Oberflächennahe Geothermie: Heizen & Kühlen mit Energie aus dem Untergrund BINE Informationsdienst [2006] Wärmepumpen: Heizen mit Umweltenergie Schüco [2008] Wärmepumpen mit Solarthermie Gesellschaft zur Entwicklung und Förderung von Geothermen Anlagen mbh (GEFGA) [2006] Vortrag zur 9. geothermischen Fachtagung, 17.11.2006 Karlsruhe