„Nutzungsmöglichkeiten und Planungsgrundlagen oberflächennaher Erdwärmesysteme - Erdwärme PLUS

2. Energiemesse element-e 2015Vortrag

„Nutzungsmöglichkeiten und Planungsgrundlagen oberflächennaher Erdwärmesysteme “

Frank v. Brandis, Dipl.-Geologe, Erdwärme plus

Themen

� Grundlagen Geothermie�Was ist Geothermie ?

�Woher kommt die Erdwärme ?

�Thermisches Regime im Untergrund

�Gewinnung von Erdwärme: Rechtliche Grundlagen

�Möglichkeiten d. Erdwärmenutzung

�Oberflächennahe Geothermie�Grundwasser-Wärmepumpe

�Erdwärmesonde

�Erdwärme-Kollektor

Grundlagen Geothermie

Definition:

Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde (Syn.: Erdwärme). VDI 4640

� Was ist Geothermie ?

Bei der Nutzung der Geothermie unterscheidet man zwischen Direkter

Nutzung, also der Nutzung der Wärme selbst, und Indirekter Nutzung, der Nutzung nach Umwandlung in Strom in einem Geothermiekraftwerk.

zählt wie Sonnen- und Windenergie, Wasserkraft und Biomasse zu den regenerativen Energieformen, hat jedoch den besonderen Vorteil, dass siejahres- und tageszeitenunabhängig konstant zur Verfügung steht und somit grundlastfähig ist.

Der begriffliche Übergang von der Oberflächennahen Geothermie auf die Tiefe Geothermie wurde auf eine Tiefe von etwa 400 m festgelegt.

FvB2

Folie 3

FvB2 Frank von Brandis; 05.07.2009


�Erdwärme stammt zu ~1/3 aus der Bildungszeit der Erde

� Woher stammt Erdwärme ?

�99% der Erde wärmer als 1000°C�Die Erde gibt ständig eine thermische Leistung von ~35 TW ab.�bezogen auf die Gesamtfläche Wärmestromdichte von ~ 0,07 W/m2

�~ 2/3 entstehen durch natürlichen radioaktiven Zerfall in der Unterkruste

FvB1

Folie 4

FvB1 Frank von Brandis; 05.07.2009


Thermisches Regime des Untergrunds

Die mittlere Temperatur der Erdoberfläche ist ungefähr13°C und ergibt sich aus dem Gleichgewicht von:

�einfallender Solarstrahlung (20 bis max. 900 W/m² in Mitteleuropa)

�Niederschlag ca. 0,6 W/m²

�geothermischer Wärmefluss (0.05 - 0.12 W/m²)

�emittierter Wärmestrahlung

Unter der neutralen Zone (<10 – 20 m) ist die Temperatur

�zeitlich konstant,

�sie nimmt mit der Tiefe zu (0,03 K/m = 3 K/100m)

Der Energietransport im Untergrund geschieht durch

�Wärmeleitung (λ ~ 1 - 5 W/mK)

�Konvektion (d.h. Fluidtransport – Grundwasser/Gas/Dampf)


Thermisches Regime des Untergrundes


Die Entwicklung des natürlichen ungestörtenTemperaturprofils im Untergrund


Nutzungsmöglichkeiten der Geothermie

Quelle: LfU Bayern

Oberflächennahe Geothermie

Technik� Umwelt- und Erdwärme aus dem Untergrund wird über horizontale

bzw. vertikale Wärmeübertrager oder durch Abpumpen von

Grundwasser gewonnen und (meist über Wärmepumpen) zum Heizen

eingesetzt (VDI 4640)

Merkmale

� nutzt Erdwärme, die in Tiefen bis 400 m gespeichert ist

� geeignet für viele Anwendungen im Niedrigtemperaturbereich

� Heizen, Kühlen und thermische Energiespeicherung möglich

� praktisch überall einsetzbar

� im privaten und gewerblichen Bereich mit Heizleistungen > 100kW nutzbar

� unabhängig von Witterung sowie Tages- und Jahreszeiten immer nutzbar

� i.d.R. Regel Anhebung des Temperaturniveaus mittels Wärmepumpe

(Primärenergiebedarf zum Betrieb der Wärmepumpe ca. 25%)

Wärmepumpe

Grundlagen Geothermie Rechtliche Grundlagen => Bergrecht

Erdwärme gilt in Deutschland als bergfreier Bodenschatz. In § 3, Abs. 3, letzter Satz BBergG:…Als bergfreie Bodenschätze gelten: …

2.b) Erdwärme und die im Zusammenhang mit ihrer Gewinnung auftretenden anderen Energien (Erdwärme).

� Erdwärme befindet sich nicht im Eigentum des Grundbesitzers, sondern gehört der Allgemeinheit (dem Staat) und unterliegt folglich dem Bergrecht.

…aber § 4, Abs. 2 BBergG :

Gewinnen (Gewinnung) ist das Lösen oder Freisetzen von Bodenschätzen …;

ausgenommen ist das Lösen oder Freisetzen von Bodenschätzen

1. in einem Grundstück aus Anlass oder im Zusammenhang mit dessen baulicher

oder sonstiger städtebaulicher Nutzung…

Die "100 m Grenze„: Nach § 127 BBergG müssen alle Bohrungen, also nicht nur Bohrungen auf bergfreie Bodenschätze, die "mehr als hundert Meter in den Boden eindringen sollen", der zuständigen Bergbehörde angezeigt werden.

� Bohrungen < 100 m unterliegen nicht dem Bergrecht

Praxis: Bohrungen > 100 m oder Anlagen mit thermischen Leistungen > 0,2 MW müssen zwar bergrechtlich angezeigt und geprüft werden, unterliegen i.d.R. aber nur bei besonderen bergrechtlich relevanten Verhältnissen der Betriebsplanpflicht.

?

Grundlagen Geothermie Rechtliche Grundlagen => Wasserrecht

Bohrungen unter 100 m unterliegen der wasserrechtlichen Anzeigepflicht nach § 49 Abs. 1 Satz 1 WHG, da die Arbeiten in der Regel so tief in den Boden eindringen, dass sie sich unmittelbar oder mittelbar auf die Bewegung, die Höhe oder die Beschaffenheit des Grundwassers auswirken können.Der Betrieb von Erdwärme- oder Erdkälteanlagen ist gemäß den §§ 8, 9 und 10 Wasser-haushaltsgesetz (WHG) als Gewässerbenutzung fast immer erlaubnispflichtig.

Was ist erlaubnispflichtig?

� das Einbringen und Einleiten von Stoffen in Gewässer, � das Entnehmen, Zutagefördern, Zutageleiten und Ableiten von Grundwasser.

Benutzungen, die geeignet sind…

… dauernd oder in einem nicht nur unerheblichen Ausmaß nachteilige Veränderungen der Wasserbeschaffenheit herbeizuführen…


In Bayern sind für Bau und Betrieb von Anlagen, die oberflächennahe Geothermie nutzen, die Bestimmungen des �Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) in Verbindung mit dem �Bayerischen Wassergesetz (BayWG) und der hierzu ergangenen �Verwaltungsvorschrift (VwVBayWG) maßgebend. ergänzend �Leitfaden für Erdwärmesonden in Bayern (aktuell: Stand Juni 2012) m. Merkblatt 3.7.2,

ergänzt durch Ministeriumsschreiben v. 17.12.2012

�VDI Richtlinie 4640 Blatt 1 und 2 Thermische Nutzung des Untergrundes

� DIN 8901:2002-12 Kälteanlagen und Wärmepumpen - Schutz von Erdreich, Grund- und

Oberflächenwasser - Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen und Prüfung

�SIA-Norm 384/6 Erdwärmesonden (Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein

�VAwS Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen�…

.Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen dürfen keinesfalls das Grundwasser schädlich verunreinigen oder seine Beschaffenheit nachteilig verändern – weder während die Anlage gebaut noch während sie betrieben wird.


Aufschlussarbeiten oberhalb des Grundwassers:Anzeigepflicht nach § 49 WHG in Verbindung mit Art. 30 BayWG => Prüfung durch Fachbehörde

Aufschlussarbeiten, die in das Grundwasser reichen:Im Regelfall immer wasserrechtlich erlaubnispflichtig

Genehmigungsbehörde: Untere Wasserbehörde (Landratsamt oder kreisfreie Stadt)ggf. weitere Behörden (Wasserwirtschaftsamt, Bergamt)

Heizlast abhgg. von:

�Bausubstanz

�Außentemperatur

�Nutzerverhalten

�Sondernutzungen

Wärmepumpe

Bemessung abhgg. von:

�Heizlast

�Nutzung (Heizen, Kühlen, WW)

�COP (Leistungszahl)

Auslegung

abhgg. von:

Das System der Wärmepumpenheizung

Gebäude

� Bohrungen 5 – 150 m� Kollektoren bis 5 m� Brunnen

Einflussfaktoren bei der Planung und Auslegung einer Erdwärmeerschließung

Prinzip:

KälteleistungWärmepumpe Genehmigungsrecht

WasserrechtBergrecht

örtliche Verhältnisse

Grenzabstände

(Hydro-)geologische Verhältnisse

Bohrverfahren

Wärmeleitfähigkeit desUntergrundes

Kosten

Effizienz

Grundlagen Geothermie: Auslegung

Beispiel : Standort Hirschaid

Grundlagen Geothermie: Vorrecherche




Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe

Grundwasser-Wärmepumpe

� Prinzip: Förder- und Schluckbrunnen

� Wärmeträger: Wasser

� hydrogeolog. Verhältnisse besonders zu beachten:

Fließrichtung, Herkunft des Wassers, Wasserqualität

Plus+ geringer Flächenbedarf+ hohe Arbeitszahl, geringe Energiekosten+ unkompliziert in der Auslegung+ hohe Zuverlässigkeit+ Heizen und Kühlen möglich

- aufwändig im Bau- Anschaffungskosten- je nach hydrogeol. Verhältnissen nureingeschränkt einsetzbar

Anwendung: Heizen, Warmwasserbereitung, Kühlen


Grundwasser-Wärmepumpe

� Prinzip: Förder- und Schluckbrunnen

� Wärmeträger: Wasser

� hydrogeolog. Verhältnisse besonders zu beachten:

Fließrichtung, Herkunft des Wassers, Wasserqualität

Genehmigung in Bayern:Grundwasserwärmepumpen bis 50 KJ/s:Wasserrechtliche Erlaubnis in der Regel nach Art. 15 BayWG in Verbindung mit Art. 70 BayWG�Bohranzeige erfolgt durch ausführende Brunnenbaufirma�Gutachten und Abnahme eines Sachverständigen erforderlich (vom Bauherrn zu beauftragen!)�Beschreibung des Vorhabens mit Bestimmung von Absenktrichter und Aufstaukegel�Erstellung der Brunnen ist von Fachbetrieben auszuführen (DVGW 120 o. vergleichbar)�Außer Abkühlung und Erwärmung darf Grundwasser in seiner Beschaffenheit nicht weiter verändert werden und muss vollständig in denselben Grundwasserleiter eingeleitet werden aus dem es entnommen wurde�Keine anderweitige Einleitung in den Schluckbrunnen (z.B. Regenwasser)

Förderbrunnen

Schluckbrunnen


Einbaubeispiel


Bei eisenhaltigem Grundwasser kann ausfallender Eisenocker in den Wärmepumpen Anlagen zu großen Problemen führen.

Im Sauerstofffreien Wasser können große Mengen zweiwertiger Eisen Ionen gelöst sein. Kommt dieses Wasser mit Sauerstoff in Kontakt, fällt dunkelbrauner Eisenocker aus. Ebenso können auch im Wasser gelöste Mangan Ionen als schwarzes Manganoxid ausfallen.

Betroffen sind alle Anlagenteile wie Brunnen, Pumpen, Rohrleitungen, Verdampfer.

Der ausfallende Ocker (Verockerung) ist sehr weich und kann alles verstopfen.

Verockerung



Erdwärmesonde

� Prinzip: Bohrungen 70 – 150 m

� Doppel-U-Sondenrohre aus HDPE, Durchmesser 32 mm

� Wärmeträger Wasser mit Frostschutzmittel

Plus+ geringer Flächenbedarf, überbaubar+ hohe Arbeitszahl, geringe Betriebskosten+ sehr hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer+ Heizen, Kühlen und Speichern möglich

- aufwändiger in Auslegung und Einbau- Anschaffungskosten- je nach hydrogeologischen Verhältnissen

nur eingeschränkt einsetzbar

Genehmigung:Anzeigepflicht nach § 49 WHG in Verbindung mit Art. 30 BayWGi.d.R. wasserrechtliche Erlaubnis nach Art. 15 BayWG in Verbindung mit Art. 70 BayWG erforderlich Gutachten und Abnahme eines Sachverständigen erforderlich (vom Bauherrn zu beauftragen!)Bei Bohrungen > 100 m bergrechtliche Anzeige nach § 127 BBergG

Anwendung:Heizen, Warmwasserbereitung, Kühlen, Speichern

Grundlagen Geothermie: Auslegung

⇒Erforderliche Gesamtsondenlänge nach SIA 384/6

Anforderungen an den Bohrplatz

� Genehmigung vorhanden

� Bei jeder Witterung befahrbares Terrain

� Neigung max. 5% (oder nach Absprache)

� Keine Leitungen im Bohrgrund

� Platzbedarf für Bohrgerät und

Hilfsgerätschaften (Mulde bzw. Container für Bohrschlammentsorgung)

� Wasser notwendig (bevorzugt ab Hydrant)

� Strom notwendig, je nach Bohrunternehmen



Film zum Projekt unter:

www.erdwaermeplus.de


Erdreich- und Grabenkollektoren (bis max. 5m)

� Prinzip: Kunststoff-Rohrregister in ca. 1.2 - 1.5 m Tiefe)

� geothermischer Wärmefluss vernachlässigbar

� es wird direkte und indirekte Sonnenenergie von der

darüberliegenden Bodenschicht aufgenommen

Plus+ geringer Aufwand Planung u. Einbau+ relativ geringe Kosten+ fast überall einsetzbar

- großer Flächenbedarf- Überbauung o. Versiegelung nicht möglich- unterliegt jahreszeitl. Temperatureinflüssen

Genehmigung:Anzeigepflicht nach § 49 WHG in Verbindung mit Art. 30 BayWG => Prüfung durch FachbehördeBei Eingriff in Grundwasser oder Wasserschutzgebieten (Weitere Schutzzone): Wasserrechtliche Erlaubnis in der Regel nach Art. 15 BayWG in Verbindung mit Art. 70 BayWG

Anwendung: Heizen, Warmwasserbereitung; seltener auch Kühlen und Energiespeicherung

Collector PLUS

Collector PLUS

Erdreichtemperaturen

Collector PLUS

Stromkosten im Mittel ca. 450 €/Jahr

Collector PLUS

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Collector PLUS


weitere Anwendungsmöglichkeiten

• Kollektormatten (Spiralkollektoren)



• Erdwärmekörbe

Bild: betatherm

Quelle: Uponor



• Spiralkollektoren

Bild: enregis

Quelle: Rehau

Bild: Rehau



• Vertikalkollektoren

Bild: GeoCollect

Quelle: TerraQ

Bild: TerraQ



• erdgebundene Betonbauteile (z.B. Stützpfähle = Energiepfähle)



• Abwassernutzung

Quelle: Frank GmbH

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• Nutzung von Oberflächengewässern

Quelle: Frank GmbH


Zusammenfassung:

Geothermie ist aufgrund ihrer

�hohen Effizienz und damit einhergehenden CO2 - Einsparpotentials�Grundlastfähigkeit�Hohen Lebensdauer der Systemkomponenten (mehrere Generationen)�vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten (Heizen, Kühlen, Speichern)�Umweltfreundlichkeit (erneuerbar, nicht sichtbar, hörbar oder riechbar)�Unabhängigkeit von Import und Zulieferungein wichtiger und unverzichtbarer Baustein der Energiewende,

Ein wirtschaftlich und ökologisch sinnvoller Einsatz bedingt jedoch eine frühzeitige Planung und eine standortbezogene Wahl des passenden Erschließungs- und Nutzungssystems auf Basis

�der genehmigungsrechtlichen Vorgaben (Boden- und Grundwasserschutz)�Untergrundverhältnisse (Geologie/Hydrogeologie)�Standort- und Platzverhältnisse�der Gebäudeanforderung


Die Energiewende wird auf dem Wärmemarkt entschieden und nicht durch den Austausch von Glühbirnen !

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

Engineering

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