Grundlagen der oberflächennahen Geothermie

Thea Mildebrath

Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und IngenieurhydrologieProf. Dr. rer. nat. M. Koch

Übersicht

• Definition

• Potential

• Gewinnung

• Auslegung

Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und IngenieurhydrologieProf. Dr. rer. nat. M. Koch

Definition, Regelung der Nutzung

• Nutzung der Wärme des Erdreiches und Grundwassersbis zu einer Tiefe von 400 m

• Erdwärme ist bergfreier Bodenschatzstaatliche 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

• WasserhaushaltsgesetzBundesbergbaugesetz, div. Regelungen der Länder Ansprechpartner: Untere Wasserbehörde, Bergamt

• VDI Richtlinie 4640 „Thermische Nutzung des Untergrundes“Blatt 1-4

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Ergiebigkeit NRWInstitut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und IngenieurhydrologieProf. Dr. rer. nat. M. Koch

Quelle: Geologischer Dienst NRW

Geothermisches Potential

Quelle: Oberflächennahe Geothermie;Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz

ohne geotherm. Anomalien:

bis 15 m Tiefe jahreszeitliche SchwankungEinfluss der Sonnenenergie Temperaturniveau 10°C

dann +3°C je 100 mbei 400 m also gut 20°Cgeothermisches Wärmepotential aus dem Erdinneren

Regenerationsfähigkeit

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Erzeugung HeizwärmeInstitut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und IngenieurhydrologieProf. Dr. rer. nat. M. Koch

Quelle: Oberflächennahe Geothermie;Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz

Erhöhung des Temperaturniveaus zur Gebäudeerwärmung oder für Prozesswärme mittels Wärmepumpe

Niedertemperaturheizsystem Vorlauftemperatur bis 45°C

Kühlung direkt oder auch mit Wärmepumpe nutzbar(Temperaturniveau – Bohrtiefe)

Energieflussdiagramm

arfEnergiebederzusätzlich

ieWärmeenerggeliefertelArbeitszah

Technische NutzungInstitut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und IngenieurhydrologieProf. Dr. rer. nat. M. Koch

Quelle: Vortrag AK techn. Gebäudeausrüstung VDI Baden-Württemberg

TunnelAbwasserkanäleGewässer

Erdöl-, GasförderbohrungenSaisonale Wärmespeicher

ErdwärmekollektorInstitut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und IngenieurhydrologieProf. 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

Sonderform: ErdkörbeSpiralkollektoren weniger Aushubarbeiten

Quelle: Tecalor

Quelle: www.rosenthal-geothermie.de

Quelle: Golder Associates Oberflächennahe Geothermie in Deutschland

Jahresarbeitszahl ca. 4

ErdwärmesondeInstitut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und IngenieurhydrologieProf. Dr. rer. nat. M. Koch

Nutzung konstantes Temperaturniveau

geringer Flächenbedarf

Sonden senkrecht oder strahlenförmigggf. auch unter das Gebäude abgeteuft (Platzbedarf)

paarweise gebündelte U-förmige Kunststoffschleifen

Wärmeleitfähiges Verfüllmaterial

bei größeren Anlagen Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit des Bodens ausreichtz.B. per Geothermal-Respons-Test

Sondenlänge Einfamilienhaus 80-200 m

Jahresarbeitszahl ca. 4,5

klassisch gefüllt mit Wasser + Frostschutzmittelneuerdings auch mit CO2

CO2-Sonde

CO2 unter etwa 40 bar

Kältemittel R744

pumpenloser selbständiger Kreislauf

druckfestes Edelstahlrohrwärmeleitfähig hinterfüllt

Bei 2° bis 3°C CO2 flüssigan 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

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Quelle:Universität Karlsruhe Prof. Dr. H. Hötzl

Energiepfähle

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

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Quelle: Oberflächennahe Geothermie;Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und

Verbraucherschutz

Grundwassernutzung

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

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Flußrichtung

Quelle: VDI-Richtline 4640

Abstand 10-15 m gegen Kurzschluss

Brunnentiefe 4-50 m(Grundwasserstand)

Luft-Erdwärmetauscher

bei kontrollierter Lüftung

vortemperieren der Außenluft

Kühlung im Sommer

großen Querschnitte

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Quelle Rehau

Entzugsleistung

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 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 55-70 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

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Quelle: VDI Richtlinie 4640

KostenvergleichInstitut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und IngenieurhydrologieProf. Dr. rer. nat. M. Koch

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

ohne Berücksichtigung Schornsteinbau, Lebensdauerunterschiede !!

Einfamilienhaus, 150 m2 Wohnfläche, Wärmebedarf 7,5 kW,jährlicher Energiebedarf 18.000 kWh bei 2.400 Heizstunden im Jahr

Quelle Golder Associate

VerbreitungInstitut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und IngenieurhydrologieProf. 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• 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

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