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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