Vortrag Geothermie Wärmepumpe - nuernberg.de · Herzlich Willkommen zum Informationsvortrag Donnerstag, 6. Juni 2013 Erdwärme Eine wichtige Möglichkeit der Energieversorgung Präsentation:

Herzlich Willkommen zum Informationsvortrag

Donnerstag, 6. Juni 2013

Erdwärme

Eine wichtige Möglichkeit der Energieversorgung

Präsentation: Erdwärme + Wärmepumpe Arbeitskreis KEIM

© Copyright N-ERGIE AG

Präsentation Erdwärme + Wärmepumpe Harald Liebel

Donnerstag, 6. Juni 2013 2

Vorstellung

Energie- und Umweltberatung

Marktpartnermanagement

Harald Liebel

Telefon: 0911 802-58222

Telefax: 0911 802-58113

E-Mail: [email protected]

Agenda

1. Rahmenbedingungen - Allgemeines

2. Erneuerbare Energien

3. Geothermie – Tiefengeothermie

4. Geothermie – Oberflächengeothermie

5. Wärmepumpe

6. Zusammenfassung und Ausblick




N-ERGIE Aktiengesellschaft

im Jahr 2000 gegründet

unter den „Top 10“ der regionalen

Energiedienstleister in Deutschland

rund 650.000 Privatkunden

im nordbayerischen Heimatmarkt




Regionale Marke stark verankert…

Das Netzgebiet der N-ERGIE hat eine Größe von rund 8.000 km².

Strom

Erdgas Wasser

Wärme Fernwärme

Wasser




Angebot der N-ERGIE Aktiengesellschaft

N-ERGIE ist ein wichtiger Wirtschaftsfaktor für die Region

Bezieht ein Kunde Strom von

einem Anbieter außerhalb

des N-ERGIE Netzgebietes,

verbleiben lediglich 18% in

der Region.

Energie von der N-ERGIE

sichert Kaufkraft und

Arbeitsplätze in der Region




Warum eigentlich Erneuerbare?

1. Reduzierung der Abhängigkeit

von stetig steigenden

Energiepreisen (Öl, Gas).

2. Wertsteigerung einer

Immobilie.

3. Beitrag zum Umweltschutz.

Drei ausgewählte gute Gründe …

Momentaner Preis :

0,84 €/ltr Preissteigerung in 3 Jahren 11,4%/a




Energieeinsparung 8

Knapper werdende Energieressourcen

Quelle: BUND

Das Maximum wurde bereits

überschritten Erdölförderung:




Eine wachsende Weltbevölkerung

und zunehmender Wohlstand

führen zu stark steigendem

Verbrauch natürlicher

Ressourcen, vor allem bei

endlicher Primärenergie.

Der vernünftige Umgang mit

Energieressourcen und neue

Formen der Energiegewinnung

sind zentrale Aufgaben dieser

und der nachfolgenden

Generationen.

Energie sparen und Energie gewinnen




Grundlagen

Erneuerbare Energien

Geothermie oder auch Erdwärme genannt, scheint zu einem

Zauberwort für die sichere Energieversorgung von Wohnhäusern der

Zukunft geworden zu sein.

Was ist dran? Wärme ohne Ende, oder ein Ende ohne Wärme?




Klimaschutzziele bis 2020

Reduzierung der Treibhausgasemisionen um

40%

Steigerung des Anteiles der erneuerbaren

Energien an der Wärmebereitsstellung auf

14%

Anteil der Stromerzeugung aus

erneuerbaren Energien auf 35%

Anteil der erneuerbaren Energien am

Endenergieverbrauch auf 18%




Anteile erneuerbare Energien




Erneuerbare Energien - Erdwärme




Tiefengeothermie- Begriffe

Die Geothermie ist nach menschlichem Ermessen

eine unerschöpfliche Energiereserve.

Sie ist die erneuerbare Energiequelle, die

grundsätzlich an fast jedem Standort genutzt werden

kann.

Auch in Deutschland gibt es ein beachtliches

geothermisches Potenzial, welches den

Energiegehalt aller konventionellen Energieträger um

ein Vielfaches übersteigt.

Synonyme sind Erdwärme oder auch Geothermie

Je tiefer man in das Innere der Erde vordringt, desto wärmer wird es. In Deutschland nimmt

die Temperatur im Mittel um etwa 30 °C pro Kilometer zu.

Das heißt, dass in 1.000 m Tiefe 40 °C, in 2.000 m Tiefe 70 °C und in 3.000 m Tiefe

100°C erreicht werden. Diese Werte schwanken regional jedoch oft stark.

Energetisch interessant sind besonders Gebiete mit deutlich höheren Temperaturen. Hier

steigt das Thermometer schon in geringer Tiefe auf mehrere hundert Grad Celsius.

Geothermische Systeme lassen sich unter verschiedenen Gesichtspunkten klassifizieren.

1. Tiefe Geothermie 2. Oberflächennahe Geothermie




Tiefengeothermie




Als Tiefengeothermie

bezeichnet man die

Nutzung der Erdwärme

in Tiefen zwischen 400

und 6.000 Metern.

Die Temperaturen sind

im Vergleich zur ober-

flächennahen Geo-

thermie weitaus höher.

Neben der Wärmever-

sorgung ist die Tiefen-

geothermie deshalb

auch für die Stromer-

zeugung nutzbar.

Tiefengeothermie




So funktioniert die hydrothermale Geothermie:

1. Aus 2.000 bis 4.000 Meter Tiefe wird vor-

handenes Thermalwasser mit einer

Temperatur von 90 bis 150°C an die

Oberfläche gepumpt.

2. In einem ersten Wärmetauscher gibt das

Thermalwasser seine Wärme an einen schnell

verdampfenden Wärmeträger ab.

3. Der Dampf treibt über eine Turbine den

Generator zur Stromerzeugung an

4. Ehe er kondensiert und wieder abkühlt

5. Das Thermalwasser ist danach noch immer

heiß genug, um in einem zweiten

Wärmetauscher Wärme an den Kreislauf

eines Nahwärmenetzes abzugeben

6. Das abgekühlte Wasser wird wieder in die

Tiefe gepumpt, wo es sich erneut erhitzt

Tiefengeothermie




Während die hydrothermale Geothermie heißes Thermalwasser zur Strom- und

Wärmegewinnung nutzt, sitzt die petrothermale Geothermie „auf dem Trockenen“.

Aus diesem Grund wird unter hohem Druck Wasser in das trockene Gestein in ca. 2.000 bis

6.000 m Tiefe gepresst. Hierdurch entstehen Risse mit einer Breite von weniger als einem

Millimeter. Diese werden als Transportweg genutzt, um kalte Flüssigkeiten mit Hilfe der

natürlichen Wärme des heißen Gesteins zu erhitzen. Die hohen Temperaturen können dann

zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden.

Selbst das Potenzial der kleinsten Ressource (hydrothermale Geothermie)

entspricht noch ungefähr dem Fünffachen des deutschen Jahresstrombedarfs.

Tiefengeothermie - Potentiale




In Deutschland wird in rund 170 größeren

geothermischen Anlagen Wärme und teilweise

Strom produziert.

Die Leistung dieser Anlagen erreicht insgesamt

rund 100 Megawatt.

Vor allem Thermalbäder und Gebäudekomplexe

werden mit Tiefengeothermie beheizt.

13 geothermische Heizkraftwerke speisen

Wärme in ein Nahwärmenetz ein

3 geothermische Kraftwerke produzieren Strom.

Zwei weitere Kraftwerke, in Bruchsal und

Simbach am Inn, sind im Probebetrieb

An 180 Standorten wurden bei den Bergämtern

Aufsuchungserlaubnisse beantragt.

Tiefengeothermie Deutschland




WÄRME- UND STROM AUS GEOTHERMISCHEN KRAFTWERKEN IN

DEUTSCHLAND

Geothermiekraftwerk Neustadt-Glewe Inbetriebnahme 2003

Erschließungskonzept Hydrothermal

Stromerzeugungsverfahren Organic Rankine Cycle (ORC)

Tiefe der Bohrung 2.455 m

Fördertemperatur des Thermalwassers 92 – 97 °C

Abstand der Bohrungen 1.500 m

Elektrische Leistung 0,2 MWel, Thermische Leistung 5,5 MWth

Geothermiekraftwerk Landau Inbetriebnahme 2007


Stromerzeugungsverfahren Organic Rankine Cycle (ORC)

Tiefe der Bohrung ca. 3.000 m

Fördertemperatur des Thermalwassers 155 °C

Abstand der Bohrungen übertage 6 m untertage 1.300 m

Elektrische Leistung 3 MWel; Thermische Leistung 5 MWth

Geothermiekraftwerk Unterhaching Inbetriebnahme 2008


Stromerzeugungsverfahren Kalina Cycle

Tiefe der Bohrung ca. 3.400 m

Fördertemperatur des Thermalwassers 122 °C

Abstand der Bohrungen übertage 3.500 m, untertage 4.500 m

Elektrische Leistung 3,4 MWel; Thermische Leistung 38 MWth

Tiefengeothermie Deutschland




Die oberflächennahe Geothermie nutzt die

Energie, die in Erdschichten bis 400 Meter

Tiefe oder im Grundwasser gespeichert ist.

Oberflächennahe Geothermie

Die hier herrschenden Temperaturen

von 8 bis 12 °C lassen sich mit Hilfe

von Wärmepumpen,

Erdwärmekollektoren oder

Erdwärmesonden zur Bereitstellung von

Raumheizung und Warmwasser nutzen.




Oberflächennahe Geothermie




Umweltwärme - Wärmepumpe




1852 konnte Lord Kelvin nachweisen,

daß Kältemaschinen auch zum Heizen verwendet werden

können.

Außerdem konnte er zeigen, dass zum Heizen mittels

Wärmepumpe weniger Primärenergie benötigt wird,

als zum direkten Heizen.

Dies deshalb, weil die von der Wärmepumpe

aufgenommene Wärmeenergie aus der Umgebung (Luft,

Wasser oder Erde)

stammte und daher einen unverhofften Energiegewinn

brachte.

Die erste Wärmepumpe ist über 150 Jahre alt

…und heute im Jahr 2013?

Wärmepumpe

http://www.waermepumpen-welt.de/neubau-und-modernisierung/beispiele-aus-der-praxis/waermepumpenverbreitung-in-deutschland




Das Prinzip der Wärmepumpe

p=1,7 bar

T=3 oC

T=-2 oC

p=1,7 bar

p=13,5 bar

T=73,5 oC

T=48 oC

p=13,5 bar

Druck steigt Temp. steigt

T=53 oC

Umweltwärme T=7oC

Überhitzung 5K

Verdampfungs- temperatur konstant -2oC

Kondensations-temperatur konstant 53 oC

Unterkühlung 5K

Temp. fällt

Druck fällt

Druck

konst

ant Druck konstant




Entlüftung

Verdampfer

Belüftung

Verflüssiger

Drosselorgan Motorkompressor / Verdichter

Funktionsprinzip einer Wärmepumpe




Leistungszahl, COP - Beurteilung

• Einen wichtigen Ansatz zur Beurteilung einer Wärmepumpe bietet die so genannte

Leistungszahl, auch COP (Coefficient Of Performance) genannt. Diese ergibt sich aus

dem Verhältnis der abgegebenen Heizenergie zur zugeführten elektrischen Energie.

• Sole/Wasser-Wärmepumpen liefern rund 4,5 kW an Wärmeleistung je Kilowatt an

aufgenommener elektrischer Leistung das ergibt einen COP von 4,5

• Wasser/Wasser-Wärmepumpe liegen noch etwas höher, hier wird ein COP von

ca. 5 – 5,5 erreicht

• Luft/Wasser-Wärmepumpen liegen naturgemäß etwas schlechter, Sie arbeiten

normalerweise mit einem COP von bis zu 3,5

Technisch ist also die Sole/Wasser-Wärmepumpe besser als die Luft/Wasser-Wärmepumpe

aber schlechter als die Wasser/Wasser-Wärmepumpe. Bei dem hohen Aufwand zur

Errichtung muss trotzdem genau hingesehen werden ob die größere JAZ den Einbau der

teureren Technik rechtfertigt.

Rein rechnerisch ist 3,5/4,5 = 0,77 – also 77%. Die Luft/Wasser-Wärmepumpe ist um gute

23 % schlechter als Kollege Kollektor und Sonde, wenn alle Anlagenkomponenten

aufeinander abgestimmt sind.




Im Bereich der Wohnraumbeheizung liegt eine interessante Option in der Nutzung von

Erdwärme.

Hierbei macht man sich zu nutze, dass die Erde ab einer bestimmten Tiefe unter der

Oberfläche immer ein gewisses Temperaturniveau hält.

Bis in eine Tiefe von etwa 10m

bis 20 m unter der Erdober-

fläche wird die Temperatur

durch die Sonneneinstrahlung

und klimatische Temperatur-

schwankungen beeinflusst.

Unterhalb dieses Einflussbe-

reichs beträgt die Temperatur

in unseren Breiten im Mittel

ca. 10 °C.

Erdwärmesonden




Die Technik zur Nutzung der Erdwärme stellt die Verwendung von

sog. Tiefensonden dar.

Es werden Bohrungen mit bis zu 100mtr Tiefe eingebracht.

In diesen Bohrungen verlaufen die Rohre mit dem Übertragungs-

medium. Die Erdwärmesonde, bestehend aus einem oder zwei U-

Rohr(en) oder auch einem Koaxial-Rohr (üblicherweise aus

Kunststoff). Dieses wird dann mit Spezialgerät in das Bohrloch

versenkt.

Mit einer solchen Sonde kann dann dem Gestein über

eine Wärmeträgerflüssigkeit (Sole) Wärme entzogen

werden.

Mit modernem Bohrgerät kann eine Tiefe von bis zu

380 m erreicht werden, jedoch ist ab einer Tiefe von

100mtr. das Bergwerksrecht einzuhalten.

Erdwärmesonden




Allgemeine Richtwerte für die spezifische Entzugsleistungen für

Erdwärmesonden

(Quelle: VDI 4640, Blatt 2)

Schlechter Untergrund und wassergesättigtes Sediment

Nutzungsdauer 1'800 h/a: 25 W/m

2'400 h/a: 20 W/m

Normaler Festgesteins-Untergrund und wasserfestes Sediment


2'400 h/a: 50 W/m

Festgestein mit hoher Wärmeleitfähigkeit


2'400 h/a: 70 W/m

Erdwärmesonden Entzugsleistung

Genaue Leistungsangaben sind der VDI Richtlinie 4640 Blatt 2

"Thermische Nutzung des Untergrundes" zu entnehmen




Erdwärmekollektoren sind Wärme-

überträger, die üblicherweise aus

Kunststoffrohren bestehen und

horizontal in einer Tiefe von in der

Regel 1,2 bis max. 1,5 m (20 cm unter

der Frosteindringtiefe) verlegt werden.

Erdwärmekollektoren

Dabei verlaufen die Rohre im Abstand von 0,5 bis 0,8 m parallel zueinander, so

dass je 1 m² Wärmeentzugsfläche ca. 1,3 bis 3 m Rohr verlegt werden.

Im Kollektor zirkuliert als Wärmeträger-flüssigkeit eine Sole (Wasser /

Frostschutzmittel (z. B. Glykol)-Gemisch), die die Wärme aus dem Erdreich

aufnimmt und an die Wärmepumpe weiterleitet.




Die dem Boden entzogene Energie wird vor allem in den Sommermonaten durch die

Sonneneinstrahlung und ganzjährig durch die Wärme im Niederschlags- und

Sickerwasser nachgeliefert.

Damit Sonne und Regen den Energieentzug ausgleichen können, dürfen horizontale

Erdwärmekollektoren nicht überbaut werden. Durch eine zusätzliche Versickerung von

Niederschlagswasser kann der Flächenbedarf eines Erdwärmekollektors erheblich

verringert werden.

Erdwärmekollektoren

Der Einsatz horizontaler Erdwärmekollektoren ist an

bestimmte Voraussetzungen gebunden. Die

Standorteigenschaften müssen so günstig sein, dass der

Boden genügend Energie aufnehmen, speichern und

abgeben kann. Es hängt von der Dichte, der Feinkörnigkeit

und dem Wassergehalt des Bodens ab, ob hinreichend

Wärme nachgeliefert werden kann.

Der Wassergehalt des Bodens spielt dabei auf Grund der

hohen Wärmekapazität des Wassers die ausschlaggebende

Rolle.




Erdwärmekollektoren Entzugsleistung

gering unter 10 W x m-2;

typisch für trockene, nicht bindige Böden

mittel unter 20 – 30 W x m-2;

typisch für feuchte, bindige Böden

hoch über 40 W x m-2;

typisch für wassergesättigte Sande oder

Kiese

zu flach Lockergesteinsmächtigkeit unter 1 m

oder über 50 Vol.-% Festgestein oder

Skelettboden

grundnass oberflächennahes Grundwasser im ersten

Tiefenmeter; hohe Wärmekapazität, aber

stark erhöhter Installationsaufwand.

* Achtung: Für den Einsatz von Erdwärmekörben, Grabenkollektoren oder Spiralrohre gelten andere

Bewertungsgrenzen!

Spezifische Wärmeentzugsleistung in W/m2 durch horizontale Erdwärme-kollektoren

bei 1800 (2 400) Jahresbetriebsstunden nach VDi-Richtlinie 4640, Blatt 2 *




Einen Kompromiss zwischen beiden Methoden stellen die so

genannten Erdwärmekörbe dar.

Erdwärmekörbe

Bei dieser Technik verlaufen die Rohre in Spiralform in die Tiefe,

was in Verbindung mit den nach oben abführten Zu- und

Ableitungen der Konstruktion die optische Anmutung eines

"Körbchens" verleiht.

Diese Körbe werden in wenigen Metern Tiefe eingegraben und

können somit kostengünstig nahezu überall verbaut werden.

Erdwärme-Körbe bieten eine Leistungsfähigkeit

ähnlich den Tiefensonden.

Diese Methode kann sehr gut bei Neubauvorhaben

angewendet werden, da sie beim Aushub der

Baugrube wenig Zusatzaufwand verursacht.

Aber auch die Nachrüstung ist problemlos möglich,

wenn rund ums Haus etwas Platz zur Verfügung

steht.




- 39 -

Förderung für Heizungsanlagen Nutzen Sie die aktuellen Förderprogramme

Anlagen zur Nutzung Erneuerbare Energien werden bundesweit über das BAFA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) und die KfW-Förderbank gefördert.

Beim BAFA werden gefördert: Solarkollektoranlagen ab 9m² bis 40 m²

Bruttokollektorfläche

Solarkollektoranlagen mit mehr als 40 m² Bruttokollektorfläche auf Ein- und - Zweifamilienhäusern mit hohen Pufferspeichervolumina

automatisch beschickten Biomasseanlagen

besonders emissionsarmen Scheitholzvergaserkesseln

effizienten Wärmepumpen

Zinsgünstige Darlehen können bei der KfW-Förderbank beantragt werden.

CO2 Minderungsprogramm der N-ERGIE Aktiengesellschaft



Donnerstag, 6. Juni 2013 40 14.05.2009

Wärmepumpentag 40

Förderung über das Marktanreizprogramm für Maßnahmen

zur Nutzung erneuerbarer Energien

Förderung - Wärmepumpe

Beispiele:

Solewasser Wärmepumpe 10 kW (2800€ + 500€) 3200,-- Euro

Solewasser Wärmepumpe 15 kW (2800€ + 600€ + 500€) 3900,-- Euro

CO2-Minderungs-

programm 2013

für Kunden der N-ERGIE Aktiengesellschaft




Allgemeines

Das CO2-Minderungsprogramm besteht seit 1996 in

Zusammenarbeit mit der Stadt Nürnberg, finanziert

durch die N-ERGIE Aktiengesellschaft

Unterstützung des Beitrags der Kunden zur

effizienten Nutzung der Ressourcen – mit barem Geld

oder Gutschriften im Gesamtwert von 800.000 Euro

für das Jahr 2013

Die durch das CO2-Minderungsprogramm 2012

ausgelöste CO2-Einsparung: ca. 7.000 t

Kohlendioxid




Förderpositionen im Überblick

Ein Ziel ist die Schaffung finanzieller Anreize für

Investitionen

Folgende Förderpositionen umfasst das CO2-

Minderungsprogramm:

Energie- und Umweltberatung

Gebäudedämmung

Heizungsumstellung

Erstellung von Blockheizkraftwerken

Nutzung erneuerbarer Energien

Erdgas- u. Elektromobilität

Stromeffizienter Haushalt




Heizungsumstellung – Wärmepumpe

Gefördert werden (im Neubau, sowie im Gebäudebestand)

der Einbau oder

die Umstellung von Nachtspeicher, Kohle, Koks, Gas

od. Öl auf Erdgas-Wärmepumpen oder auf effiziente

Elektro- Wärmepumpenanlagen zur Raumheizung

mit einer entsprechend mindestens erforderlichen

Leistungszahl:

Luft-Wasser-Wärmepumpe: LZ ≥ 3,1

Sole-Wasser-Wärmepumpe: LZ ≥ 4,3

Wasser-Wasser-Wärmepumpe: LZ ≥ 5,1

Fördersumme bei Umstellung oder Einbau einer Gas-

Wärmepumpe 1.200 €



Donnerstag, 6. Juni 2013 45 - 45 -

Wie groß Einsparungen durch den

Einbau einer Wärmepumpe sein

können zeigen folgende

Beispielrechnungen:

Eckdaten:

Neubau Baujahr 2011

Wohnfläche: 155 m2

Verbrauch:

o Raumwärmebedarf 35,1 kWh/m²xa

o Warmwasserbedarf 12,5 kWh/m²xa

14. Juni 2013 45

Eine neue Wärmepumpe senkt den Schadstoffausstoß und

die Energiekosten

Neubau




Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe




Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe




Pro Contra

geringer Treibhausgasausstoß für

tiefe Geothermie

Petrothermale Geothermie noch in der

Erforschungsphase

keine endlichen Energierohstoffe

nötig wie bei den fossilen

Energieträgern und der Kernenergie

Risiken der notwendigen Bohrungen

noch nicht komplett erforscht

tiefe Geotthermienutzung nicht

fluktuierend wie Sonne und Wind

geringer Eingriff in das oberirdische

Ökosystem

Elektrisch betriebene

Wärmepumpen in Kombination mit

Strom aus erneuerbaren Energien

sind eine der besten Möglichkeiten

für ökologische Gebäudeheizungen

ineffiziente Wärmebereitstellung bei

Umgebungsluft-Wärmepumpen

(schlechte Primärenergieeinsparung)

Wärmepumpen in nahezu jedem

Haushalt installierbar

Zusammenfassung Geothermie – Pro und Contra







Ihre Energieberater:

Eva Rausch Harald Scherzer Harald Liebel

Hotline der Energieberatung: Telefon: 0911/802-58222

Fax: 0911/802-58113

N-ERGIE Centrum

Südliche Fürther Straße 14

(am Plärrer)

90429 Nürnberg

Internet

www.n-ergie.de/energieberatung

[email protected]

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