Hochtemperaturwärmepumpen im Kontext geothermischer ... · Wien Energie „Bis 2030 wollen ... ke Kommerziell F&E • Entwicklung möglicher Konzepte für Hochtemperatur-Wärmepumpen

Hochtemperaturwärmepumpen im Kontext geothermischer

Wärmeversorgung

Berliner Energietage, 22.05.2019

Jochen Schäfer, Florian Reissner, Paul Girbig, Norbert Wenn, Siemens AG

Siemens / Gas & Power / Corporate TechnologyUnrestricted © Siemens AG 2019

Unrestricted © Siemens AG 2019Mai 2019Page 2 GP / CT

Zusammenfassung und Ausblick

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung anhand eines konkreten Falles

Anwendungsmöglichkeiten für die Tiefengeothermie

Wärmepumpen: Entwicklungsfortschritt

Wärmepumpen: Prinzip und Stand der Technik

Motivation und Hintergrund

Agenda


Bedeutung der Fernwärme für die Energiewende in Deutschland

Ziele für erneuerbare Fernwärme

Fernwärme in Deutschland heute

Angaben in GWth

installierte Anschlussleistung

Installierte Leistung:

51 GWth

Wärmemenge:

86 TWhth / a

Energieträger:

AGFW Hauptbericht 2017; BDI Studie – Klimapfade für Deutschland 95% Zielpfad

2,4

2,8

1,23,6

0,8

9,9

3,2

1,0

6,76,0

6,3

1,7

3,3

1,1

1,1 Dekarbonisierung

→ 30 Mio. t CO2/a durch Wärmeerzeugung für

die Fernwärme

Wien Energie„Bis 2030 wollen wir den Anteil der Nutzung

erneuerbarer Energie bei der Strom- und

Wärmeproduktion verdoppelt haben – von derzeit 20%

auf rund […] 40% bei Wärme“

Stadtwerke München„Bis 2040 soll München die erste deutsche Großstadt

werden, in der Fernwärme zu 100 Prozent aus

erneuerbaren Energien gewonnen wird“

Vattenfall„Wärme für Berlin: 50% weniger CO2 bis 2020 […]

Vattenfall Wärme unterstützt Berlin bis 2050

klimaneutral zu werden“

Ziele für erneuerbare Fernwärme

https://wärme.vattenfall.de/media/64/download/Broschuere_Waerme_fuer_Berlin.pdf?v=1

www.wienenergie.at/media/files/2016/we_jahrbuch2015_geschuetzt_179859.pdf

www.swm.de/privatkunden/unternehmen/energie/vision-fernwarme.html

https://wärme.vattenfall.de/media/64/download/Broschuere_Waerme_fuer_Berlin.pdf?v=1

http://www.wienenergie.at/media/files/2016/we_jahrbuch2015_geschuetzt_179859.pdf

http://www.swm.de/privatkunden/unternehmen/energie/vision-fernwarme.html


Technologien für erneuerbare Fernwärme

Potentielle Technologien Fernwärme in Deutschland zukünftig

Angaben in TWh

→ Vermeidungskosten: Zu- und Umbau

der Fernwärme: 40 € / tCO2

→ vgl. Elektromobilität: 130 € / tCO2

Beispiel

BDI Studie

Biomasse

Solarthermie

Müllverbrennung

Wärmepumpe Tiefengeothermie

+

BDI Studie – Klimapfade für Deutschland 95% Zielpfad








Agenda


Grundprinzip einer Kompressions-Wärmepumpe

Reversible Wärme-

pumpe

Strom

Wärmepumpe Coefficient of Performance (COP)

Schema

Wärmepumpe

Elektroheizer

Wärme auf hohem Temperaturniveau

1COP

3...6COP

Aufwand)( Energie eElektrisch

Nutzen) ( Energie ThermischeCOP

EH

WP

=

Wärme auf niedrigem Temperaturniveau

Wärme fließt im Normalfall von einer hohen zu einer niedrigen

Temperatur. Wärmepumpen sind jedoch in der Lage den

Wärmestrom in die umgekehrte Richtung zu lenken, indem sie

geringe Mengen hochwertiger Antriebsenergie, wie z.B. elektrischen

Strom verwenden. Dadurch können Wärmepumpen Wärme von

einem niedrigen Temperaturniveau auf eine höheres

Temperaturniveau übertragen.1

Funktionsprinzip

1IEA Heat Pump Centre, URL:http://www.heatpumpcentre.org/en/aboutheatpumps/

heatpumptechnology/Sidor/default.aspx, Stand 11.02,2013


Temperaturgrenzen kommerzieller Wärmepumpen

40

60

80

100

120

140

160

180

T [°C]W

ärm

e-

qu

elle

Wärm

equelle

Wärm

esenke

40 °C

100 °C

150 °C

Zu

sä

tzl. A

nw

en

du

ng

en

100 °C

Wärm

esenke

Kommerziell F&E

• Entwicklung möglicher Konzepte für Hochtemperatur-Wärmepumpen

• Prüfung des Marktpotentials für Groß- / Hochtemperatur-Wärmepumpen

Ziel bei Siemens

Wärmebedarf in

der Industrie

Verfügbare

Wärmepumpen

Hochtemperatur

Wärmepumpen


Siemens lieferte 50 Großwärmepumpen seit 1980

in Schweden und Finnland

Nr. Projekt Thermische

LeistungNr. Projekt

Thermische

Leistung

1 Ludvika 1 11 MWth 26 Lund GEO 20 MWth

2 Västeras 1 12 MWth 27 KungsängenVP1 8 MWth

3 Uppsala 1 13 MWth 28 Örebrö VP1 20 MWth

4 Uppsala 2 13 MWth 29 Örebrö VP2 21 MWth

5 Uppsala 3 13 MWth 30 Huskvarna 7 MWth

6 Visby 12 MWth 31 Hammarby VP1 20 MWth

7 Borlänge 1 12 MWth 32 Hammarby VP2 20 MWth

8 Borlänge 2 12 MWth 33 Hammarby VP6 30 MWth

9 Västeras 1 12 MWth 34 Hammarby VP7 30 MWth

10 Lund1 13 MWth 35 Akersberga VP1 6 MWth

11 Malmö1 13 MWth 36 Järfälla VP1 20 MWth

12 Malmö2 13 MWth 37 Järfälla VP2 20 MWth

13 Malmö3 13 MWth 38 Solna VP1 30 MWth

14 Eskilstuna 1 13 MWth 39 Solna VP2 30 MWth

15 Upplands Väsby 1 11 MWth 40 Solna VP3 30 MWth

16 Upplands Väsby 2 11 MWth 41 Solna VP4 30 MWth

17 Sandviken 12 MWth 42 Lund Geo 2 27 MWth

18 Gävle 1 14 MWth 43 Ropsten VP91 25 MWth

19 Eskilstuna 2 13 MWth 44 Ropsten VP92 25 MWth

20 Borlänge 3 12 MWth 45 Ropsten VP93 25 MWth

21 Kalmar VP1 13 MWth 46 Ropsten VP94 25 MWth

22 Örnsköldsvik VP1 14 MWth 47 Lindesberg VP1 5 MWth

23 Örnsköldsvik VP2 5 MWth 48 Eslöv VP1 9 MWth

24 Umea VP1 17 MWth 49 Jönköping 25 MWth

25 Umea VP2 17 MWth 50 Hammarby VP 5 30 MWth








Agenda


Modell im Labormaßstab

Betriebsbereich

• Maximale thermische Leistung: 12 kW

• Wärmequellen: 40-110 °C

• Wärmesenken: 80-150 °C

Merkmale

• Kolbenverdichter

• Verwendung verschiedener Arbeitsfluide möglich

• Variable Arbeitsfluidfüllmenge während Betrieb

Fortschritt

• Betriebserfahrung seit 2012

• Bewertung von vier neuartigen Arbeitsfluiden

• Experimentelle Untersuchung abgeschlossen in 2015


Leistung im Labormaßstab und Ausblick auf Industriemaßstab

1

3

5

7

9

11

13

15

105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155

Experim

enta

l C

OP

Condensation temperature [°C]

COP – Carnot, Industriemaßstab (> 5 MW), Labormaßstab (~10 kW)

Die Versuche zeigen eine vielversprechende

Leistung der neuartigen Arbeitsfluide und die

Leistung für den Industriemaßstab wird als noch

höher angenommen

Bei Verdampfungstemperatur = 80 °C

COP:

Coefficient of performance =Hochtemperatur Wärme

Elektrische Energie

Kondensationstemperatur [°C]

CO

P


Ziel bei Siemens

Hochtemperatur-Wärmepumpe

→Erfahrung im Labor (bis 150 °C, 12 kWth)

Standard-Wärmepumpe

→Jahrzehntelange Erfahrung im kommerziellen

Einsatz für Fernwärme (bis 90 °C, 5-30 MWth)

Großskalige

Hochtemperatur-Wärmepumpe

Anwendungsentwicklung

• Identifikation von potentiellen

Anwendungen

•Techno-ökonomische

Betrachtung in Kooperation mit

potentiellen Betreibern

→ 100-150 °C, 5-40 MWth

Wärmepumpe

Tiefengeothermie

+








Agenda


Hochtemperatur-Wärmepumpe @ Fernwärme

Tiefengeothermiequelle


Fernwärme

95 °C55 °C

90 °C50 °C

5-10 MWth

Idealisierte Skizze





Fernwärme

95 °C55 °C

90 °C50 °C

5-10 MWth

Idealisierte Skizze

Herausforderung 1: Fernwärme benötigt höhere Temperatur

Herausforderung 2: Fernwärme benötigt höhere Wärmeleistung

→Nutzung von Wärmepumpen


District heating

network

Geothermal

source


Tiefengeothermiequelle – Kapazitätserweiterung

Erweiterte Alternative mit WärmepumpeStandardnutzung einer Tiefengeothermiequelle

• Erhöhte Wärmeausbeute aus Tiefengeothermiequelle +50%

• Erhöhte Wärmebereitstellung für die Fernwärme +60%

• Gleiche Förderrate in der Bohrung

Nutzen der erweiterten Alternative

10 MWth

90 °C

50 °C

95 °C55 °C

60 kg/s

60 kg/s

District heating

network

HP

Geothermal

source

16 MWth

90 °C

50 °C

95 °C35 °C

60 kg/s

60 kg/s

95 kg/s

HP

30 °C 35 kg/s

60 kg/s

10 MWth 15 MWth

WP

1.5 MWel

Tiefengeo-thermiequelle

FernwärmeFernwärme


COP = 4.2Leistungen inkl. Verluste

Gerundete Leistungswerte


District heating

network

WP

Geothermal

source

District heating

network

Geothermal

source


Tiefengeothermiequelle – Temperaturerhöhung (und Kapazitätserweiterung)


90 °C

50 °C

95 °C55 °C

100-150 °C

50 °C

95 °C

35 °C

30 °C

WP

90 °CLimitierte Temperatur

Höhere Temperatur

möglich

FernwärmeFernwärme




District heating

network

WP

Geothermal

source

District heating

network

Geothermal

source


Tiefengeothermiequelle – Temperaturerhöhung (und Kapazitätserweiterung)


90 °C

50 °C

95 °C55 °C

120 °C

50 °C

95 °C35 °C

30 °C

WP

90 °CLimitierte Temperatur Höhere Temperatur

möglich

60 kg/s

60 kg/s10 MWth

10 MWth

15 MWth 60 kg/s

60 kg/s

17 MWth

2.4 MWel FernwärmeFernwärme



• Erhöhte Wärmeausbeute aus Tiefengeothermiequelle +50%

• Erhöhte Wärmebereitstellung für die Fernwärme +70%

• Erhöhte Temperatur für die Fernwärme +30 K

• Gleiche Förderrate in der Bohrung





District heating

network

WP

Geothermal

source

District heating

network

Geothermal

source


Tiefengeothermiequelle – Temperaturerhöhung einer unzureichenden Quelle

Erweiterte Alternative mit WärmepumpeTiefengeothermiequelle mit zu geringer Temperatur

95 °C

50 °C

75 °C

95 °C

50 °C

75 °C35 °C

30 °C

WP

70 °C

10 MWth60 kg/s

60 kg/s

11 MWth

1.6 MWel

XFernwärmeFernwärme



• Tiefengeothermiequelle mit ungenügender Temperatur kann trotzdem genutzt werden

• Erhöhte Wärmeausbeute Im Vergleich zu Lösungen ohne Wärmepumpe











Agenda


Konkreter Fall in Berlin: Dublettenbohrung

Mit freundlicher

Unterstützung

Dublettenbohrung:

• Mittlerer Buntsandstein

• Förderbohrung: 1500 m

• Injektionsbohrung: 1600 m

• Ablenkweite: 300 m

• Vorlauftemperatur: 60 °C

• Rücklauftemperatur

nach Wärmepumpe: 25 °C

• Wärmeleistung: 6 MWth


Konkreter Fall in Berlin: Einbindung Wärmepumpe

District heating

network

WP

Geothermal

source

Betriebspunkt im Winter

110 °C

60 °C

60 °C25 °C

20 °C

WP

55 °C

6.0 MWth

8.7 MWth

3.0 MWel Fernwärme

Bunt-sandstein



District heating

network

WP

Geothermal

source

Betriebspunkt im Sommer

85 °C

60 °C

60 °C25 °C

20 °C

WP

55 °C

6.0 MWth

8.1 MWth

2.3 MWel Fernwärme

Bunt-sandstein




Konkreter Fall in Berlin: Einfache Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Mit freundlicher

Unterstützung:

Annahmen (heutige Werte; zukünftige Veränderung siehe Sensitivitätsanalyse)

• Gesamtinvest: 17.250 Mio. EUR1

(Dublettenbohrung, oberirdische Anlagen, Wärmepumpe)

• Finanzierungszins: 6%4

• Betrachtungszeitraum: 20 Jahre4

• CO2-Intensität Strom: 475 g/kWh2

• CO2-Intensität Erdgas: 200 g/kWh2

• CO2-Preis: 27 EUR/t3

• Strompreis: 100 EUR/MWh4

• Erdgaspreis: 30 EUR/MWh4

• Biogaspreis: 75 EUR/MWh5

• Volllaststunden: 8000 h/a4

(in Grundlast)

→ Wärmegestehungskosten

• Tiefengeothermie + Wärmepumpe: 6.5 ct/kWh

• Erdgas: 4.3 ct/kWh

• Biogas: 9.0 ct/kWh

1: GFZ Potsdam/Siemens 2: Umweltbundesamt 3: finanzen.net 4: Eigene Annahmen da betreiberabhängig 5: Bundesnetzagentur


Sensitivitätsanalyse einiger Annahmen

Mit freundlicher

Unterstützung:

Biogas

Erdgas

Tiefengeothermie

+ Wärmepumpe

Höheres Invest

wg. Kommentar

von TJK2

4

6

8

10

20 30 40 50Wärm

eg

este

hu

ng

s-k

os

ten

[ct/

kW

h]

Erdgaspreis [EUR/MWh]

2

4

6

8

10

80 100 120 140Wärm

eg

este

hu

ng

s-k

oste

n [

ct/

kW

h]

Strompreis [EUR/MWh]

2468

101214

60 75 90 105Wärm

eg

este

hu

ng

s-k

oste

n [

ct/

kW

h]

Biogaspreis [EUR/t]

2

4

6

8

10

5000 6000 7000 8000Wärm

eg

este

hu

ng

s-k

oste

n [

ct/

kW

h]

Volllaststunden [h/a]








Agenda



• Fernwärmenetzbetreiber wollen langfristig die fossilen Energieträger ersetzen

• Wärmepumpen für Nutztemperaturen im Bereich 100-150 °C sind in Entwicklung

• Wärmepumpen können eingesetzt werden, um Tiefengeothermiequelle zu erweitern:

− Höhere Vorlauftemperaturen möglich

− Größere Wärmeleistung möglich

− Befähigung der Nutzung von Tiefengeothermiequellen mit geringen Temperaturen

• Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zeigen vielversprechende Perspektiven für die zukünftige Dekarbonisierung

bei gleichbleibender Förderrate


Kontakt

Geschäftsentwicklung

Norbert Wenn

Gas and Power

Energy Solutions

GP PG EUC

Freyeslebenstrasse 1

91050 Erlangen

Phone: +49 (9131) 17 – 34302

Email:

[email protected]

Vortragender

Dr. Jochen Schäfer

Corporate Technology

Research in Energy and Electronics

Energy Systems

Distributed Energy Systems and Heat Conversion

CT REE ENS DEH

Günther-Scharowski-Strasse 1

91058 Erlangen

Phone: +49 (9131) 17 – 36949

Email:

[email protected]

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Diese Seite darf nicht entfernt werden. Für die in diesen Unterlagen bereit gestellten

Informationen kann keine Haftung übernommen werden.

+ + +

Die Verantwortung für die Inhalte in diesem Vortrag, auch urheberrechtlicher Natur, liegen bei

der Referentin/dem Referent. Bei Fragen oder Ansprüchen kontaktieren Sie diese bitte direkt.

Eine kommerzielle Weiterverbreitung darf nur nach schriftlicher Genehmigung der

Rechteinhaberin erfolgen. © 2019 Referent(in) / Veranstalter(in)

+ + +

Die Leitveranstaltung der Energiewende in Deutschland fand 2019

vom 20. bis zum 22. Mai im Ludwig Erhard Haus in Berlin statt.

Weitere Informationen und viele Vortragsunterlagen zu über 390 Vorträgen

aus 58 Veranstaltungen im Rahmen der Berliner ENERGIETAGE 2019 finden Sie unter

www.energietage.de

Ein Vortrag im Rahmen der

https://www.energietage.de/

Documents

Hochtemperaturwärmepumpen im Kontext geothermischer ... · Wien Energie „Bis 2030 wollen ... ke Kommerziell F&E • Entwicklung möglicher Konzepte für Hochtemperatur-Wärmepumpen