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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
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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
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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
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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
Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden13.09.2011 4
Quelle: Schmidt/ Müller-Steinhagen
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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
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Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung
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Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung
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
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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
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Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung
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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
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Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung
Quelle: Schossig
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Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen
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
Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden13.09.2011 9
Quelle: Berliner Morgenpost
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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
Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden13.09.2011 10
Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen
Quelle: Huenges
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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
Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden13.09.2011 11
Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen
Quelle: Huenges
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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)
Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden13.09.2011 12
Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen
Quelle: Schmidt/ Müller-Steinhagen
η ≈ 75%
η ≈ 90%
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Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden13.09.2011 13
Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen
Quelle: Kranz et al.2009
Betriebsumstellungen:
niedrigere Einspeichertemperaturenangepasste AbnahmeRückkühlung erst ab 2003Forschungsprojekt
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Temperaturverlauf am Bohrungskopf des Wärmespeichers über 3 Zyklen
Quelle: Huenges
Absinkende Fördertemperatur (dunkelblau) in Entladungsperiode ist Charakteristisch für Aquiferspeicher
Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden13.09.2011 14
Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen
Quelle: Huenges
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Quelle: Die Woche
Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen in Berlin
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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
Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden13.09.2011 16
Potential geothermischer Aquiferspeicher in Deutschland
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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
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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
Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden13.09.2011 18
Quellenverzeichnis
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13.09.2011 Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden
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