Nutzung von Aquiferspeichern für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden 13.09.2011Präsentation zur Vorlesung Geothermie bei Prof. Dr. Manfred Koch

Nutzung von Aquiferspeichern für die Wärme- und

Kälteversorgung von Gebäuden

13.09.2011 Präsentation zur Vorlesung Geothermie bei Prof. Dr. Manfred Koch Dominik Ritter

am Beispiel des Energieverbunds Spreebogen

Quelle: Itw Stuttgard

13.09.2011 Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden 2

Aquifere

Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung

Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen

Potential geothermischer Aquiferspeicher in Deutschland

Agenda

Aquifere

Grundwasserführende Schicht

hochpermeable Gesteinsschichten mit ausreichend durchlässigem Material, um signifikante Mengen an Wasser zu speichern oder weiterzuleiten

hochporöse Sandsteine sowie andere stark geklüftete oder verkarstete Sedimentgesteine

Quelle: TAB-Arbeitsbericht Nr.84

Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden13.09.2011 3

Quelle: Welt der Physik

Aquifere

Aquifer-Wärmespeicher nach oben und unten hydraulisch abgeschlossene

Grundwasserschichten hydraulische Durchlässigkeit kf > 10-5 m/s geringe Grundwasserfließgeschwindigkeit biologische & chemische Zusammensetzung

Quelle: Schmidt/ Müller-Steinhagen



Warum Energiespeicher: Verringerung von Energieverlusten Im Sommer: kaum Abnehmer für Abwärme aus Stromerzeugung (KWK),

aber Kühlbedarf (erzeugt auch Abwärme) Im Winter: Kaum Bedarf an der zur Verfügung stehenden Kälte, aber

Wärmebedarf Lösung: Langzeitspeicher zur Überbrückung

Gut kombinierbar mit Solarthermie (Großanlagen)

Problem Langzeitspeicher: konventionelle Speicher sind teuer, verlustreich Lösung: unterirdische, natürlich vorkommende Speicher Möglichkeiten: Erdwärmesonden (20 bis 100m), Aquifere (Tiefe 100m bis

300m wegen Konkurrenz zu Trinkwassernutzung bzw. zu hohen Kosten) Aber: Einleitung von Wasser in Untergrund erfordert Genehmigungen Quelle: VDI




Speichermedium ist Grundwasser sowie poröses Gestein Gespeicherte Energie wird direkt / über Wärmepumpe genutzt

Aquifere: Tiefe ≈ 100m bis 1500m (Optimum bei ca. 200m) Dicke ≈ bis 100m (Verteilung der Wärme) möglichst homogene Struktur

Einsparungen: Im Schnitt können ¾ der Wärmeenergie eigespart werden Bei Kühlung bis zu 80% Energiekosteneinsparung Bei Kombination ggf. zusätzliche Verbesserung der Energiebilanz

Quelle: Schossig, Seibt/ Kabus, Geophysica


Einsatz besonders bei Gebäuden mit hohem Kühlbedarf im Sommer interessant: Bürogebäude, Einkaufszentren, Krankenhäuser Kongressgebäude, Ausstellungs- & Messehallen Nahwärmenetze Warmwasser & Heizungsunterstützung für Gebäudekomplexe

Voraussetzungen: Sehr geringe Strömungsgeschwindigkeit & -richtung Volumen des Aquifers: 10.000m³ bis 1.000.000m³ Hydrogeologische Standortbedingungen (weitreichende Kenntnisse aus

1980ern aufgrund von Erdgasbohrungen)

Quelle: Geophysica, VDI, AEE



Speicher aus mind. einer Bohrgruppe:Entnahme & Injektion Wasserentnahme über

Entnahmebohrung ausgrundwasserführender Schicht

Abgekühltes / aufge-wärmtes Wasser über Injektionsbrunnen wieder in Aquifer einspeisen

Abstand der Bohrungen 50 – 300m

Quelle: Schossig, Geophysica



Quelle: Schossig


Investition rund 40Mio. Mark(in Summe)

Strom und Wärme bis zu 80% aus erneuerbaren Enegrien Spitzenlast, Erstatzstromversorgung

aus öffentlichem Netz

CO2-Ausstoß wird um mehr als 50% reduziert (gegenüber städtischem Strom & Fernwärme)

BHKW mit Bio-Diesel, stromgeführt

Abwärme wird direkt genutzt für Heizung, Absorptions-Kälteanlage oder in Aquifer gespeichert

2 Aquifere (für Wärme und Kälte)

Quelle: Die Woche


Quelle: Berliner Morgenpost

oberer Aquifer:

Kältespeicher: Etwa 50m unter Reichstagsgebäude

Süßes Grundwasser

Erschlossen durch 5 Bohrungen

max. Förderrate 300 m³/h

Abkühlung im Winter (Temp. < 0°C) auf 5°C

Entnahmetemperatur 6 – 10°C

max. Injektionstemperatur 30°C

Quelle: Die Woche Berliner Energietage, Huenges



Quelle: Huenges

unterer Aquifer:

Wärmespeicher: Rund 300m Tiefe (durch etwa 60m Tonschicht abgedeckt)

Salzhaltiges Sohle-Wasser

Erschlossen durch Dublette

max. Förderrate 100m³/h

Beladungstemperatur: max. 70°C

Entnahmetemperatur: 65°C -30°C

(mit Wärmepumpe bis auf 20°C möglich)

Quelle: Die Woche, Berliner Energietage, Huenges



Quelle: Huenges

Quelle: Die Woche, Schmidt/ Müller-Steinhagen

Beladung der Aquifere:

Wärmespeicher: Einspeisung etwa 70°C heißem Wasser Heißes Wasser stammt aus KWK des BHKW Temperatur sinkt bis Beginn der Nutzung auf etwa 65°C

Kältespeicher: Wasser wird durch Trockenkühler und Verdampfer abgekühlt und

eingespeist (5°C) Bis zum Einsatz der Kälte steigt Temperatur auf 6°C Kühlung über Kühldecken (direkter Wärmetausch)




η ≈ 75%

η ≈ 90%



Quelle: Kranz et al.2009

Betriebsumstellungen:

niedrigere Einspeichertemperaturenangepasste AbnahmeRückkühlung erst ab 2003Forschungsprojekt

Temperaturverlauf am Bohrungskopf des Wärmespeichers über 3 Zyklen

Quelle: Huenges

Absinkende Fördertemperatur (dunkelblau) in Entladungsperiode ist Charakteristisch für Aquiferspeicher



Quelle: Huenges

Quelle: Die Woche

Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen in Berlin


Untersuchung unterstützt von der Europäischen Kommission aus 90er Jahren (DIS-0463-95-NL (1997) - Seasonal thermal energy storage in NW Europe)

Unter 70% der Fläche von Deutschland befinden sich Aquifere, die als Wärme- bzw. Kältespeicher genutzt werden können

Untersuchung ging nur bis zu einer Tiefe von 150m

d.h. das Potential zur Nutzung von Aquiferspeichern ist noch höher

Weitere größere Projekte in Deutschland: Fernwärmenetz Neubrandenburg Wohnkomplex „Helios“ in Rostock

Quelle: Seibt / Kabus


Potential geothermischer Aquiferspeicher in Deutschland

AEE: Agentur für Erneuerbare Energien e.V. (2009): Hintergrundinformation – Wärme speichern, zugegriffen über: http://www.unendlich-viel-energie.de/uploads/media/18_Hintergrundpapier_November_2009_Waerme_ speichern.pdf, am 07.09.2011

Berliner Energietage:Römmling, U. (2001): Ergebnisse und Erfahrungen bei der Umsetzung des energiesparenden Bauens am Beispiel der Berliner Bundesbauten, zugegriffen über: http://www.bine.info/fileadmin/content/ Publikationen/Projekt-Infos/Zusatzinfos/2003-13_Vortrag_Berliner_Energietage.pdf, am 25.08.2011

Berliner Morgenpost:Berliner Morgenpost: Geheimpapier offenbart massive Sicherheitslücke, zugegriffen über: http://www.morgenpost.de/ politik/article1492564/Geheimpapier-offenbart-massive-Sicherheitsluecken.html, am 07.09.2011

Die Woche: Die Woche 10.07.1998: Der Öko-Reichstag, zugegriffen über: http://www.co2sparhaus.de/fileadmin/ co2/img/Oeko-Reichstag.pdf, am 07.08.2011

Geophysica: Geophysica Beratungsgesellschaft mbH: Geothermische Aquiferspeicher – Wärme und Kälte aus Grundwasserspeichern, zugegriffen über: http://www.geophysica.de/Downloads/Aquiferspeicher.pdf, am 07.08.2011

Huenges: Huenges, E. (2006): Geothermie – Nachhaltige Stromerzeugung mit KWK, zugegriffen über: http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte/th2006/th2006_02_04.pdf, am 07.09.2011

itw Stuttgard:itw Stuttgard: Aquifer-Wärmespeicher, zugegriffen über: http://www.itw.uni-stuttgart.de/abteilungen/ rationelleEnergie/technik/aquifer.php, am 07.09.2011Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden13.09.2011 17

Quellenverzeichnis

Kranz et al. 2009:Kranz, S. et al. (2009): Aquiferspeicher für die Wärme und Kälteversorgung von Gebäuden, zugegriffen über: http://www.enob.info/ fileadmin/media/Publikationen/EnOB/EnOB_Statusseminar_2009/ EnOB_Statusseminar_Block_III.pdf, am 07.09.2011

Schmidt/ Müller-Steinhagen:Schmidt, T.; Müller-Steinhagen, H. (2005): Erdsonden- und Aquifer-Wärmespeicher in Deutschland, zugegriffen über: http://solites.org/download/05-01.pdf, am 07.09.2011

Schossig: Schossig, P. (2005): Thermische Speicher, zugegriffen über: http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/ Themenhefte/th2005/th2005_06.pdf, am 07.09.2011

Seibt/ Kabus: Seibt, P.; Kabus, F. (2006): AQUIFER THERMAL ENERGY STORAGE – PROJECTS IMPLEMENTED IN GERMANY, zugegriffen über: http://intraweb.stockton.edu/eyos/energy_studies/content/docs/FINAL_PAPERS/4A-1.pdf, am 07.09.2011

TAB-Arbeitsbericht Nr.84:Paschen, H.; Oertel, D.; Grünwald, R. (2003): Möglichkeiten geothermischer Stromerzeugung in Deutschland , zugegriffen über: (http://www.ipp.mpg.de/ippcms/ep/ausgaben/ep200304/bilder/ab84.pdf, am 07.09.2011

VDI : VDI Nachrichten 19.10.2007: Energie in Aquiferen lagern, zugegriffen über: http://www.eflocon.de/pdfarchiv/ energietechnik/19.10.2007%20Energie%20in%20Aquiferen %20lagern%20VDI-N.pdf, am 07.08.2011

Welt der Physik:Welt der Physik: Sandstein aus dem Ketziner Untergrund, zugegriffen über: http://www.weltderphysik.de/ de/3730.php?i=5892, am 07.09.2011


Quellenverzeichnis

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