Grundlagen der oberflächennahen Geothermie Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Grundlagen der oberflächennahen Geothermie Thea Mildebrath

Definition Potential Gewinnung Auslegung Übersicht Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Definition Potential Gewinnung Auslegung

Definition, Regelung der Nutzung Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Nutzung der Wärme des Erdreiches und Grundwassers bis zu einer Tiefe von 400 m Erdwärme ist bergfreier Bodenschatz staatliche Konzession entfällt bei Nutzung: - unter einem Grundstück für diese Grundstück Abstand Grundstücksgrenzen 3m Abstand zur nächsten Anlage 10 m - oberhalb 100 m, danach bergrechtliche Vorschriften Wasserhaushaltsgesetz Bundesbergbaugesetz, div. Regelungen der Länder Ansprechpartner: Untere Wasserbehörde, Bergamt VDI Richtlinie 4640 „Thermische Nutzung des Untergrundes“ Blatt 1-4

Ergiebigkeit NRW Quelle: Geologischer Dienst NRW Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Quelle: Geologischer Dienst NRW

Geothermisches Potential Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch ohne geotherm. Anomalien: bis 15 m Tiefe jahreszeitliche Schwankung Einfluss der Sonnenenergie Temperaturniveau 10°C dann +3°C je 100 m bei 400 m also gut 20°C geothermisches Wärmepotential aus dem Erdinneren Regenerationsfähigkeit Quelle: Oberflächennahe Geothermie; Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz

Niedertemperaturheizsystem Vorlauftemperatur bis 45°C Erzeugung Heizwärme Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Energieflussdiagramm Erhöhung des Temperaturniveaus zur Gebäudeerwärmung oder für Prozesswärme mittels Wärmepumpe Niedertemperaturheizsystem Vorlauftemperatur bis 45°C Kühlung direkt oder auch mit Wärmepumpe nutzbar (Temperaturniveau – Bohrtiefe) Quelle: Oberflächennahe Geothermie; Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz

Erdöl-, Gasförderbohrungen Saisonale Wärmespeicher Technische Nutzung Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Quelle: Vortrag AK techn. Gebäudeausrüstung VDI Baden-Württemberg Tunnel Abwasserkanäle Gewässer Erdöl-, Gasförderbohrungen Saisonale Wärmespeicher

80-160 cm Tiefe (unterhalb der örtlichen Frostgrenze) Erdwärmekollektor Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 80-160 cm Tiefe (unterhalb der örtlichen Frostgrenze) möglichst in feuchtem Untergrund Wärmeleitung, Wärmekapazität des Wassers geringer Investitionsbedarf Flächenbedarf ca. 1,5-2 x zu beheizende Fläche Quelle: Tecalor Sonderform: Erdkörbe Spiralkollektoren weniger Aushubarbeiten Jahresarbeitszahl ca. 4 Quelle: Golder Associates Oberflächennahe Geothermie in Deutschland Quelle: www.rosenthal-geothermie.de

Nutzung konstantes Temperaturniveau geringer Flächenbedarf Erdwärmesonde Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Nutzung konstantes Temperaturniveau geringer Flächenbedarf Sonden senkrecht oder strahlenförmig ggf. auch unter das Gebäude abgeteuft (Platzbedarf) paarweise gebündelte U-förmige Kunststoffschleifen Wärmeleitfähiges Verfüllmaterial bei größeren Anlagen Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit des Bodens ausreicht z.B. per Geothermal-Respons-Test Sondenlänge Einfamilienhaus 80-200 m Jahresarbeitszahl ca. 4,5 klassisch gefüllt mit Wasser + Frostschutzmittel neuerdings auch mit CO2

pumpenloser selbständiger Kreislauf CO2-Sonde Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch CO2 unter etwa 40 bar Kältemittel R744 pumpenloser selbständiger Kreislauf druckfestes Edelstahlrohr wärmeleitfähig hinterfüllt Bei 2° bis 3°C CO2 flüssig an der Rohrwand nach unten durch Erdwärme bei ca. 10°C verdampft steigt in Kopf des Rohres kondensiert im Sondenkopf am Verdampfer der Wärmepumpe Jahresarbeitszahl ca. 5 Quelle:Universität Karlsruhe Prof. Dr. H. Hötzl

Gründungspfähle, Schlitz- und Pfahlwände, Bodenplatte Energiepfähle Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch große Bauwerke Gründungspfähle, Schlitz- und Pfahlwände, Bodenplatte Wärmetauscherrohre in Armierungskörper geringer Mehraufwand gute Wärmeleitfähigkeit des Betons Kühlen und Heizen Individuelle Auslegung erforderlich Straßenbau eisfrei mit Wärmespeicher Quelle: Oberflächennahe Geothermie; Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz

Schluckbrunnen muss aufnehmen können, was Förderbrunnen liefert Grundwassernutzung Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Schluckbrunnen muss aufnehmen können, was Förderbrunnen liefert Temperaturdifferenz auf ± 6 ° beschränkt (meist) genehmigungspflichtig, Qualität muss geprüft werden Korrosion, Lösung von Stoffen bei geänderten Temperaturen Nenndurchfluss 0,25 m³/h je kW Verdampferleistung Leistungsnachweis z.B. durch Pumpversuch messtechn. Überwachung, Pflege: Filter, Verstopfung Fremdstoffe Abstand 10-15 m gegen Kurzschluss Brunnentiefe 4-50 m (Grundwasserstand) Flußrichtung  Quelle: VDI-Richtline 4640

Luft-Erdwärmetauscher Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch bei kontrollierter Lüftung vortemperieren der Außenluft Kühlung im Sommer großen Querschnitte Quelle Rehau

spezifische Entzugsleistung Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Untergrund spezifische Entzugsleistung für 1800 h für 2400 h Allgemeine Richtwerte: Schlechter Untergrund (trockenes Sediment) (λ < 1,5 W/(m·K)) 25 W/m 20 W/m Normaler Festgesteins-Untergrund und wassergesättigtes Sediment (λ = 1,5-3,0 W/(m·K)) 60 W/m 50 W/m Festgestein hoher Wärmeleitfähigkeit (λ > 3,0 W/(m·L)) 84 W/m 70 W/m Einzelne Gesteine: Kies, Sand, trocken < 25 W/m < 20 W/m Kies, Sand, wasserführend 65-80 W/m 55-65 W/m Bei starkem Grundwasserfluss in Kies und Sand 80-100 W/m Ton, Lehm, feucht 35-50 W/m 30-40 W/m Kalkstein (massiv) 55-70 W/m 45-60 W/m saure Magmatite (z.B. Granite) 65-85 W/m basische Magmatite (z.B. Basalt) 40-65 W/m 35-55 W/m Gneis 70-85 W/m 60-70 W/m Die Werte können durch die Gesteinsausbildung wie Klüftung, Schieferung, Verwitterung erheblich schwanken Quelle: VDI Richtlinie 4640

ohne Berücksichtigung Schornsteinbau, Lebensdauerunterschiede !! Kostenvergleich Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Einfamilienhaus, 150 m2 Wohnfläche, Wärmebedarf 7,5 kW, jährlicher Energiebedarf 18.000 kWh bei 2.400 Heizstunden im Jahr Erdwärme Ölheizung Gasbrennwertheizung Investitionskosten inkl. Tanks, Wärmepumpe, Montage, Speicher etc. 18.000 € 12.000 € 8.800 € Jährliche Betriebs-kosten je kWh 13,5 Cent (1/4!!) 9 Cent 7,5 Cent Jährliche Betriebs-kosten inkl. Wartung, Brennstofflieferung, Zählergebühr etc. 680 € 2.000 € 1.720 € Amortisation ca. 5 Jahre ca. 9 Jahre Quelle Golder Associate ohne Berücksichtigung Schornsteinbau, Lebensdauerunterschiede !!

Häufigkeitsverteilung der Wärmepumpenheizleistung bis 30 kW Verbreitung Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Anteil der Wohngebäude mit 1-2 Wohneinheiten in Hessen mit Erdwärmesonden-gekoppekoppelten Wärempumpen Häufigkeitsverteilung der Wärmepumpenheizleistung bis 30 kW

Literatur VDI-Richtline 4640 Blatt 1-4 Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch VDI-Richtline 4640 Blatt 1-4 Dr. Sven Rumohr, Wasser Berlin 2009 Nutzung der oberflächennahen Geothermie in Hessen Leitfaden Erdwärmenutzung in Niedersachsen; Niedersächsisches Umweltministerium Oberflächennahe Geothermie, Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz Erdwärmenutzung in Hessen; Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie Golder Asociates, Oberflächennahe Geothermie in Deutschland Luft-/Erdwärmetauscher ETW; Forschungsverbund Sonneenergie Hans-Joachim Lohr, Vortrag „Nutzung oberflächennaher Geothermie“, Velta-Kongress 2005 Prof. Dr. Roland Königsdorff, Vortrag „Geothermisches Heizen und Kühlen von Gebäuden“, VDI Baden-Würtemberg, 2005 www.geothemie.de www.waermepumpe.de www.innovationsforum-geothermie.de www.geophysik.rwth-aachen.de www.geo-energiekonzept.de