Beheizung eines historischen Gebäudes ... - tsb-energie.de · 27. Juli 2017 Michael Münch – Bad Ems Geowärme Beheizung eines historischen Gebäudes mit thermalen Grubenwässern

Michael Münch – Bad Ems Geowärme 27. Juli 2017 www.tsb-energie.de www.igem-energie.de

Beheizung eines historischen Gebäudes mit thermalen Grubenwässern – Rathaus der Verbandsgemeinde Bad Ems

Nico Hickel Klimaschutzmanager Verbandsgemeinde Bad Ems

Michael Münch Transferstelle Bingen (TSB) und Institut für geothermisches Ressourcenmanagement (igem)

08.11.2017, TH Bingen

Diese Studie wird durch das Ministerium für Umwelt, Energie, Ernährung und Forsten (MUEEF) gefördert.


Über uns: TSB & igem

Institut für geothermisches Ressourcenmanagement (igem) › Gründung 2006 › Geschäftsbereich der ITB gGmbH › Kooperation JG Universität Mainz und Technische Hochschule Bingen › Themen: Georessourcen, Geothermie, Geologie, Thermohydraulische

Simulationen, Erschütterungsmessungen

Transferstelle Bingen (TSB) › Gründung 1989 › Als Institut an der Technischen Hochschule Bingen (TH Bingen) › Geschäftsbereich der ITB gGmbH › Arbeitsbereiche: Kommunen, Energiewirtschaft, Gewerbe & Industrie,

Biogene Werkstoffe › Themen: Regenerative Energiesysteme, Rationelle Energienutzung, Virtuelle

Kraftwerke und smart grids und Biogene Werkstoffe

2

HALLO!

Ich bin Nico Hickel M.Sc.

2010 - 2013 Studium der Wirtschaftswissenschaften (VWL)

- Energiewirtschaft und Ressourcenmanagement

(HfWU Nürtingen-Geislingen)

2013 - 2016 Studium „Renewable Energy Design /

Erneuerbare Energien Management”

Thesis:

“Ökoeffektivität bei limitationaler Ressourcensubstitution im

Bausektor - bilanzielle und ökologische Betrachtung”

(University of applied sciences - FHE Erfurt)

Seit 2016 Klimaschutzmanager der Verbandsgemeinde Bad Ems

Historische

Einordnung

Bergbaustadt Bad Ems

• Blei, Zink, Kupfer, Eisen und Silber (bis zu 750m unter Niveau Emsbachtal)

• Grube Neuhoffnung (ab 1858) Thermalwasser Funde

• Stadtstolln (1869) Abfluss der Thermal- und Bergwasser in den

Emsbach zur Lahn

• 19. März 1945 Kriegsbedingter Stromausfall Gruben unter Wasser

Quelle: Bergbaumuseum Bad Ems

Historische Einordnung

Rathaus VG Bad Ems - Erdwärme

Quelle: Bergbaumuseum Bad Ems

Vorgeschichte

Von der Machbarkeitsstudie

bis zur Umsetzung

📌

Vorgeschichte

• Potenzialanalysen zur geothermischen Nutzung der Grubenwässer

Vorstudie Universität Mainz, Prof. Dr. Wieber & Schenk 2007/2008

Studie igem 2007-2010, Prof. Dr. G. Wieber, M. Münch, jeweils mit

Förderung durch MUFV RLP

• Bestandteil des integrierten Klimaschutzkonzeptes

(TSB, Grontmij 2014)

• Maßnahmenplanung (Ingenieurbüros + wiss. Begleitung igem / TSB) seit

2015

• Planung und Umsetzung 01/2016 – 12/2017*

• Erstellung Messkonzept / wiss. Begleitung bis 2019

(igem, TSB – Hr. Münch)

• Wissenschaftliche Untersuchungen (Neuhoffnungsstollen) 04/2017 der

Ruhr-Universität Bochum (Hydrogeologie) - Kamerafahrten

Stadtstolln Bad Ems

Stadtstolln Bad Ems

Quelle: Pohl Geo-consult

Stadtstolln Bad Ems


Quelle: M. Münch TSB

Wärmetauscher

(Kupfer+Edelstahl)

Installation in

Rösche 5x12m

Länge (2x5 Rohre)

Modularer Aufbau

(erweiterbar) bis

zu 700m

Stadtstolln Bad Ems -

Wärmetauscher

Stadtstolln Bad Ems -

Wärmetauscher

Stadtstolln Bad Ems

Quelle: Pohl Geo-consult

Grubenwasserwärm

e-nutzung


Bj: 1901

AH: 2.962m²NGF

50% / (80%)

Förderung

MUEEF

Pilotprojekt in

RLP!




Bisherige

Gasheizung

Wärmepumpe

(Grubenwasser)

Heizleistung 380 kWth 111 kWth (WP)

230 kWth (Gaskessel)

Vollbenutzungs-

stunden

Ca. 800 h/a Ca. 1950 h/a (WP)

Ca. 65 h/a (Gaskessel)

Endenergie-

verbrauch

356.000 (kWhhs/a) 18.700 kWhhs/a (Erdgas)

59.000 kWhel/a (Strom WP.)

175.500 kWhth/a (Erdwärme)

Anteil fossiler

Energieträger

100% ≈ 7%1

CO2e-Einsparung - 75.000 kg CO2e/a1

1 Bei Einsatz von Ökostrom

Liegenschaften - Emissionen

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Gesamtemissionen (tCO2e/a)

Quelle: Energiebericht 2016 VG B.E. (Hickel)

Klimaschutzziele – VG Bad Ems

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VG Bad Ems - Gesamtemissionen bezogen auf 2012

t CO2e/a

Wissenschaftliche

Begleitung


Umweltwärme und industrielle Abwärme

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Solarthermie in Verbindung mit saisonalen Erdsondenspeichern

Quelle: Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energie

Oberflächennahe Geothermie Quelle: BWP, 2012

Geothermie aus Bergbauanlagen Quelle: www.geothermie.de (li.) igem 2009 (re.)

Thermalquellen eigene Darstellung nach:

Geothermisches Informationssystem

Deutschland

industrielle und infrastrukturelle Abwärme /Abwässer Trinkwasserwärme


Potenziale Bad Ems (igem 2009)

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Lfd Nr.

Wärmequelle Verfügbare Menge

Temp.

1 Bohrung 1 a 100 l/min max.

55 °C

2 Neuquelle IV 325 l/min 45 °C

3 Emser Therme Vgl. derzeitige Nutzung

~ 55 °C ab Leitung

4 a Firma Siemens & Co. Verdampfungsprozess

45 l/min 23 l/min 48 l/min

85 °C 65 °C 55 °C

4 b Firma Siemens & Co. Produktionsstillstand

130 l/min 55 °C

5 Stadtstolln 1.800 l/min 25 °C


Einsatz von Erd-, Umwelt- und Abwärme zu Heizzwecken

• Wärmepumpen machen Niedrigtemperaturwärme unter Einsatz elektrischer Energie nutzbar

• Wärmepumpen erhöhen die Temperatur von Erd-, Umwelt- und Abwärme unter Einsatz elektrischer Energie zur Raumheizung und Warmwasserbereitung

• Je niedriger die benötigte Vorlauftemperatur und je höher die Quelltemperatur, desto geringer ist der Stromverbrauch

• Einsatz von Wärmepumpen im Neu- und Altbau: • Stromverbrauch der Wärmepumpe steigt mit

Temperaturniveau. Im Altbau ist der Einsatz einer WP wirtschaftlich schwieriger als im Neubau, da Strompreis steigt

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Ausblick 2050

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Ziel: maßgeblicher Anteil der Wärmeversorgung in 2050 brennstofffrei!


Strom zu Wärme… …kann auch zur Energiewende beitragen

• Anteil an Erneuerbaren Energien im Stromnetz steigt • Strom wird „grüner“

• Volatile Erzeugung

• Unvorhersehbare Netzengpässe im Verteilnetz

• Fluktuationsausgleich im Stromnetz notwendig

• Zeitliche Flexibilität (kurzzeitig) bei der Wärmeerzeugung • Wärmepumpe kann zur Netzentlastung einige Stunden ausgestellt

werden

• Wärmepumpe kann zur Nutzung von Überschussstrom außerplanmäßig eingeschaltet werden

• Hierfür gibt es „Märkte“ und es können Zusatzerlöse generiert werden oder Kosten vermieden werden

• Sektorenkopplung Power-to-heat mit dem Gebäude als Energiespeicher

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Perspektivisch ist auch die „Speichermasse“ Gebäude (mineralische Bauteile) als Grünstromstromspeicher interessant.

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BMWi – Weißbuch zum Strommarkt

BMWi: Juli 2015

„Das … Geschäftsmodell, flexibel auf Erzeugung und Nachfrage zu reagieren, ist deutlich anspruchsvoller als bisher, wird aber … auch die Chance für zusätzliches Einkommen eröffnen.“ Zitat aus BMWi, Ein Strommarkt für die Energiewende, Weißbuch, Seite 89, Juli 2015

Der Bedarf an zeitlichen Flexibilitäten des Stromverbrauchs und der Erzeugung wird zunehmen – verschiedene „Märkte“ honorieren das.


Nicht-regenerativer Primärenergiefaktor

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Quelle: https://www.heizungsjournal.de/enev-und-erp-richtlinie_124?p=2

Strom wird mit Fortschreiten der Energiewende immer „grüner“, während sich der ökologische Aufwand von Brennstoffen nicht oder kaum verbessert


Strom zu Wärme?

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Heutiger nicht-regenerativer Primärenergiefaktor (PEF) Strom aus dem Netz der allgemeinen Versorgung: 1,8 CO2e-Emission nahezu jeder betriebenen Wärmepumpe in der ökologischen

Bewertung deutlich unter derer fossiler Feuerungen Zunehmender Einsatz von EE-Strom minimiert die Klimaschädlichkeit

Herausforderung Altbaubestand / Temperaturniveau PEF schwankt stark im Jahresverlauf – Flexibilisierung der Wärmeerzeugung

Mittelwert

Entwicklung des PEF-Faktors über das Jahr 2014 (qualitativ)

Mittelwert bei Abruf SRLneg AP 300 €/MWh

~-12 %

Die ökologische Wertigkeit des Stroms schwankt über das Jahr. Diese wird in der Energiewirtschaft in Zeitscheiben zu je ¼ Stunde bewertet.


Effizienz – Beispielhafte Leistungskurve einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe

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Quelle: Ochsner

Der Stromverbrauch steigt mit höherer Differenz zwischen Temperatur der Wärmequelle und der benötigten Temperatur für Heizen (& Warmwasser).


Strompreise für Endverbraucher Hemmnis – insbesondere im Gebäudebestand

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Während die Strompreise an der Börse mit dem Ausbau der Erneuerbaren stetig sinken steigen die Endverbraucherpreise (Stromnebenkosten/-verteilung)


Zwischenfazit - Wärmepumpen

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• Vielfältige Wärmequellen mit unterschiedlichem Erschließungsaufwand (kalte Nahwärme optimiert Investition und Effizienz)

• Im Neubau etabliert – im Altbau ausbaufähig (Stromverbrauch für hohe Ziel-Temperaturen)

• Ökologische Bewertung: Wird auf hohem Niveau immer besser (Strom wird „grüner“)

• Wirtschaftliche Bewertung – Stromnebenkosten / Endverbraucherpreise – Hemmnis für Altbaubestand

• Flexibilität des Stromverbrauchs – kann Stromnetze entlasten – generiert Zusatzeinnahmen und kann Strompreissteigerungen positiv entgegenwirken

Zukünftiges Ziel: maßgeblicher Anteil der Wärmeversorgung

brennstofffrei! – geosolare Techniken verbessern die Effizienz der elektrischen Wärmeerzeugung – vorrangig Überschussstrom nutzen


Grubenwasserwärmenutzung in Bad Ems - Einsatz im Altbaubestand

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1. Absenken des Temperaturniveaus der Heizkreise und hydraulische Optimierung

2. Nutzung lokaler Potenziale aus warmen (Ab-)Wässern der Altbergbaus ~25°C und ~100 m³/h kalte Nahwärmeleitung ins Rathaus

3. Pilothafter Demonstrator Rathaus der VG Bad Ems – 57% bzw. 92% CO2e-Emissionsminderung


Wissenschaftliche Begleitung der Umsetzung

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1. Konzeption

• Feinkonzeption/Überarbeitung Energiekonzept

• Mess- und Zählerkonzept

2. Umsetzungs-begleitung

• Gespräche und Baustellen-termine

3. Öffentlich-keitsarbeit

• Begleitende Öffentlichkeits-arbeit

• Diskussion der Übertragbarkeit

4. Evaluation

• kontinuierliche Messung mit Wärmemengen-zähler

• Auswertung/ Plausibilisierung

• Interpretierte Messwert-dokumentation

Durch die wissenschaftliche Begleitung können u.a. folgende Fragen beantwortet werden: 1. Umsetzung der damaligen Untersuchung unter heutigen Rahmenbedingungen sinnvoll? 2. Können mit den Entscheidungen in der Planungs- und Ausführungsphase die Projektziele

erreicht werden? Sind die Schnittstellen zwischen den Gewerken sauber definiert? 3. Information aller Akteure? Können die Ergebnisse für Projektinitiierung in anderen

Regionen und vor Ort genutzt werden? 4. Wurden die gesetzten Ziele erreicht?


Michael Münch – Geothermie Bad Ems 41

Verfahrensschema Temperatur-datenlogger

Temperatur- datenlogger zur Messung Differenz vor und nach Wärmetauscher

Stromzähler Umwälzpumpe kalte Nahwärme: Zur Prüfung unerwünschter Zirkulation in

Nicht-Betriebszeiten

WMZ 4: Messung Wärmenge nach der Nahwärmeleitung

WMZ 1: Messung Wärmemenge WT Edelstahl

WMZ 2: Messung Wärmemenge WT Kupfer

WMZ 3: Messung Wärmemenge vor Abgang der Leitung in die Decke unter der Kreuzung (vor Nahwärmeleitung)

MSR Wärmepumpe: Erzeugte Wärmemenge Stromverbrauch Messung Außentemperatur Einstellung Heizkurve

Erdgaszähler: Ermittlung der erzeugten Wärmemenge Erdgas

Ermittlung der Verluste kalte Nahwärme über WMZ 3 und WMZ 4

Messtechnische Erfassung und Evaluation der Beheizung des Rathauses über drei Jahre


Grubenwassertemperatur vor und nach dem Wärmetauscher - Datenlogger





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Vielen Dank

für Ihre Aufmerksamkeit !

Nico Hickel (02603) 793-162

[email protected]

Klimaschutzmanager

Verbandsgemeinde Bad Ems

Bleichstraße 1

56130 Bad Ems

www.klima-lahn-taunus.de

Michael Münch (06721) 98 424-264 [email protected]

Institut für geothermisches Ressourcenmanagement

Transferstelle Bingen Berlinstraße 107a 55411 Bingen www.tsb-energie.de Projektförderung:

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