Grundlagen der oberflächennahen Geothermie

Präsentation zum Thema: "Grundlagen der oberflächennahen Geothermie"—  Präsentation transkript:

1 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

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

3 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

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

5 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

6 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

7 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

8 80-160 cm Tiefe (unterhalb der örtlichen Frostgrenze)
Erdwärmekollektor Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 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:

9 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 m Jahresarbeitszahl ca. 4,5 klassisch gefüllt mit Wasser + Frostschutzmittel neuerdings auch mit CO2

10 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

11 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

12 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 m gegen Kurzschluss Brunnentiefe m (Grundwasserstand) Flußrichtung  Quelle: VDI-Richtline 4640

13 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

14 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 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

15 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 kWh bei Heizstunden im Jahr Erdwärme Ölheizung Gasbrennwertheizung Investitionskosten inkl. Tanks, Wärmepumpe, Montage, Speicher etc. € € 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 !!

16 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

17 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

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