Relevante Energieformen
Gespeicherte Energieform:
- Thermische Energie (Kälte > 0 °C bzw. Wärme < 100 °C*) * Grenzen zwischen beiden Formen liegt bei 20 °C
Kurzbeschreibung
Physikalisches Prinzip:
Veränderung der fühlbaren Temperatur beim Lade- oder Entladevorgang (Wärmeaufnahme oder -abgabe)
Prozessablauf:
- Nutzung der oberflächennahen Erdwärme zur Gewinnung von Wärme- und Kälteenergie mit Einsatz einer Wärmepumpe und Wasser als Transportmedium
- Die Erdwärme wird in geschlossenen Systemen (indirekte Be- und Entladung des Erdreichs) mittels Erdwärmesonden oder Flächenkollektoren gefördert und als Antriebsenergie über eine reversible Wärmepumpe auf die gewünschte Vorlauftemperatur gebracht
Flächenkollektoren:
Flache Erdwärme-Kollektorrohre werden horizontal im Boden in einer Tiefe von in 80–160 cm mit einem Abstand von 50–80 cm verlegt. Die Regeneration erfolgt hauptsächlich durch Sonneneinstrahlung und Niederschlag.
Erdsonden:
Erdsonden werden in senkrechter bzw. schräger Anordnung in das Erdreich geführt. Erdwärmesonden werden entweder als koaxiale Rohrleitungen oder in Doppelrohrleitungen ausgeführt und reichen in Tiefen von 20 bis 100 Metern (Durchmesser: 100–200 mm, Abstand zueinander: 1,5–3 m). Die im Rohr vorherrschende Strömung sollte aus Gründen der Wärmeübertragung turbulent sein (Strömungsgeschwindigkeit: 0,5–1 m/s). Als Wärmespeicher dienen das umgebende Gestein und das Grundwasser. Ein Erdsondenspeicher besteht aus zahlreichen Erdsonden, welche als Sondenfeld zusammengefasst sind. Bei einem Sondenfeld kann der Sondenraster quadratisch oder dreieckig sein.
- direkte Nutzung in Form von: Raumwärme, Warmwasser oder Kühlung
Speichermedium:
Erdreich bzw. Gesteinsschichten (wassergesättigte Tone bzw. Tongesteine)
Wärmeträger:
Sole oder Wasser mit Frostschutzmittel (Wasser-Glykol-Gemisch) oder Ammoniak
Wärmeübertrager:
- Erdkollektoren: horizontal eingebrachte Kunststoffrohre
- Erdsonden: U-förmige, vertikal eingebrachte Rohre aus Kunststoff (Polyethylen, -propylen, -buten), die mit einem speziellen hydraulisch abbindenden Fertigmörtel an das umgebende Erdreich thermisch angebunden sind
Funktionsskizzen
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
![\[ Nutzungsgrad \; eines \; Speichers =\frac{Speicherentladung}{dem \; Speicher \; zugef\"{u}hrte \; Energie} \]](https://technologiematrix.synergie-projekt.de/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-eeb733611e3f3e2d950af2bfb22a7398_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Nutzungsgrad: 30–90 % (90 % bei großen Volumina von über 150.000 m³)
Betriebs-Charakteristika
| Bauart | Flächenkollektoren | Erdsonden |
| Typische Be- und Entladeleistungen | Die spezifische Entzugsleistung des Erdreichs hängt von der Geologie und der Jahresbetriebsdauer ab.
Bei 1800 h:
Zur Erhaltung des Gleichgewichtszustands sollte die jährlich entzogene Wärmemenge zwischen 180 und 650 MJ/(m*a) liegen |
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| Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Alters des Speichers | Die Verlustleistung ist nicht abhängig vom Alter des Speichers | |
Energetische Kennwerte
| Bauart | Flächenkollektoren | Erdsonden |
| Verfügbare Leistungsklassen (kW) | 360 MJ/(m² a) (nutzbarer Energieaufkommen) | Berechnung spezifische Erdwärmesondenleistung: PEWS= (13* λ) + 10 mit λ: Wärmeleitfähigkeit des Gesteins bzw. Erdreichs
Die effektive Sondenleistung ist abhängig vom Sondenaufbau, des Stoffwertes des Erdreichs und des Wärmeübergangs |
| Verfügbare Kapazitäten (kWh) | Je tonhaltiger und nasser der Boden ist, umso größer ist seine Speicherfähigkeit | Je tonhaltiger und nasser der Boden ist, umso größer ist seine Speicherfähigkeit
Die speicherbare Wärmemenge wird von der Größe des Sondenfeldes sowie von der Wärmekapazität des Untergrunds bestimmt. Wärme-/Kältespeicherung: 60–80 kWh/(m*a) |
| QSp = m · cp · (θ2 –θ1) oder QSp= V · cp‘ · (θ2–θ1) Spezifische Wärmekapazität cp (Erdreich) = 0,91 – 2,00 kJ/(kg*K) |
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| Volumetrische Speicherdichte | 15 bis 30 kWh/m³ | |
| Volumetrische Speicherdichte= (Speicherkapazität in kJ)/(Volumen des Speichers in m³)
c‘ * ΔT |
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| Gravimetrische Speicherdichte | Gravimetrische Speicherdichte = (Speicherkapazität in kJ)/(Masse des Speichers in kg)
c * ΔT |
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| Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit der Kapazität | Ja
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| Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Ladezustandes | Abhängigkeit vernachlässigbar
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| Verfügbare Energieniveaus | max. Entnahmetemperaturen:
max. Speichertemperatur: ca. 80 °C |
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| Speichervolumen für 1 m³ Wasseräquivalent | 3 bis 5 m³ | |
Wirtschaftliche Kennwerte
| Bauart | Flächenkollektoren | Erdsonden |
| Nutzenergiekosten/kWh | horizontal eingebrachte Erdwärmekollektoren → erfordert größere Erdarbeiten → höhere Kosten | Betriebskosten:
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| Laufende Kosten p.a./kW | k.A. | k.A. |
| Investkosten/kW | k.A. | Bohrung inkl. Sonde (mittlere Anlagengröße):
Die Investitionskosten eines Erdsonden-Speichers werden stark von den Bohrkosten beeinflusst |
| Die Bundesregierung gibt Investitionshilfen (Zuschüsse der BAFA, günstige Darlehen der KfW-Bank) |
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| Platzbedarf/kWh | hoch | gering |
| Typische Lebensdauer in Jahre | Die Lebenserwartung der Kunststoffrohre liegt bei 50 Jahren | |
| Erwartete Baukosten für einen Speicher mit 10000 m³ Wasseräquivalent (WÄ), bezogen auf 1 m³ WÄ | 80–100 €/m³ | |
Technologische Kennwerte
| Bauart | Flächenkollektoren | Erdsonden |
| Negative Aspekte der Ökobilanz (alle Lebensphasen) |
keine negativen Aspekte Wärmeträgermittel: Sole oder Wasser → keine Gefährdung des Grundwassers |
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| Gefährdungspotenzial | geringes Gefährdungspotenzial zu hoher Wärmeentzug des Erdreichs kann zu Schäden an der Grasnarbe führen |
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| Systemkomplexität | robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen | einfach durch Laien zu bedienen aber viele Bauelemente/technisch komplex |
Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse
| Technologieattratktivität | Industrielle Umsetzbarkeit | Umsetzbarkeit | Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein) | |
| Komplexität | Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich) | |||
| Anwendbarkeit bei Industriepartnern | Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein) | |||
| Einsatzhäufigkeit und Verbreitung | Verbreitung in Deutschland | Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig) | ||
| Umrüstaufwand und Integration | Technology Readiness Level | Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3) | ||
| Umrüstaufwand zur nachträglichen Integration | Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig ,Gelb = mittel, Grün = noch) | |||
| Ressourcenstärke | Übertragbarkeit | Übertragbarkeit | Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch) | |
| Wirtschaftlichkeit | Spezifische Speicherkosten | Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig , Gelb = mittel, Rot = hoch) | ||
| Spezifische Platzbedarf | Wie groß ist die volumetrische Speicherdichte (Grün = Hoch, Gelb = Mittel, Rot = Niedrig) | |||
| Speicherverluste | Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher) |
Entwicklungstendenz
Die horizontal eingebrachten Erdwärmekollektoren werden durch die ständige Weiterentwicklung der Erdwärmesonden verdrängt. Die Entwicklungstendenz liegt bei Erdwärmesonden in immer tieferen Lagen, um von den dort höheren Temperaturen zu profitieren.
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Vorteile
- Geothermie ist ständig verfügbar (grundlastfähig)
- klimafreundlich (weniger CO2-Ausstoß)
- unabhängig von Rohstoffpreisen
- relativ geringer Bauaufwand
- geschlossenes System mit unbedenklichem Wärmeträger-Medium
Flächenkollektoren:
- ganzjährig hohes Temperaturniveau der Wärmequelle (ca. + 0 °C bis + 15 °C)
- einfache Erschließung der Wärmequelle
Erdsonden:
- einfache Erweitbarkeit
- geringer Flächenbedarf
- das GDR-Verfahren ermöglicht eine Anpassung der Bohrungen an den Zuschnitt des Grundstücks
- auch im Winter die hohe Effizienz
Nachteile
- träge Wärmeleitung im Erdreich → deutlich längere Zugriffszeiten
- notwendiger eingeschwungener Zustand im Erdreich: erst nach 3 bis 5 Jahren
- relativ hohe Speicherverluste
- zusätzliche Energie zum Betrieb der Wärmepumpe erforderlich
- niedrige Wirkungsgrade bei kleinem Speichervolumen
Flächenkollektoren:
- Abhängigkeit von den Außentemperaturen
- großer Flächenbedarf
- die Fläche darf nicht bebaut werden, eine Bepflanzung sollte vermieden werden
- die Fläche ist nur begrenzt belastbar → die Kunststoffrohre sind oberflächennah verlegt, so dass es bei einer zu großen Belastung zu Schäden kommen kann
Erdsonden:
- wasserrechtliche Erlaubnis der Wasserbehörde erforderlich
- bei grundstücksübergreifender Erdwärmenutzung oder Bohrtiefen von über 100 m muss das Berg- und Lagerstättenrecht nach §127 BBerG beachtet werden
- hohe Anschaffungskosten
- Erdwärmesonden sind empfindlich gegenüber durchströmendes Wasser, da keine Abdichtung zum umgebenden Gestein vorliegt
Anwendungsbeispiele
zur saisonalen Wärme- bzw. Kältespeicherung
Anwendungsbeispiele:
- Golm: Max-Planck-Campus, Erdwärmesondenfeld
- Crailsheim-Hirtenwiesen: Wohngebiet
- Groningen, Niederlande: Beheizung von 96 Häusern, Erdwärmesondenfeld
- Treviglio, Italien: 5 Appartmentgebäude, Erdwärmesondenfeld und Erdwärmekollektoren
- Sunklay, Schweden: Schule, Erdwärmesondenfeld
Literaturverzeichnis
- Becker, Paul et al. (2010): Geothermie – Kurzreferat zur Vorlesung Energiewirtschaft
- Bohne, Dirk (2004): Ökologische Gebäudetechnik
- Bundesverband Geothermie: Einstieg in die Geohermie. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 02.02.2017
- BINE Informationsdienst (2005): Wärmespeicher – Leseprobe
- energie-experten.org: Technik der Erdwärmenutzung. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 13.01.2017
- energie-experten.org: Prinzip, Technik und Nutzung von Erdwärmespeichern. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 13.01.2017
- energie-experten.org: 10 Nachteile von Erdwärme im Überblick. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 13.01.2017
- Gawlik, Wolfgang (2013): Speicher für die Energiewende
- GUNT Gerätebau GmbH (Hg.) (2015): 2E – Energy & Environment, Ausgabe 6
- Oertel, Dagmar (2008): Energiespeicher – Stand und Perspektiven
- Kaltschmitt, Martin et al. (2009): Energie aus Erdwärme
- Ranft, Fred; Frohn, Bernhard (2004): Natürliche Klimatisierung
- SAENA GmbH (2012): Technologien der Abwärmenutzung
- Schulz, Heinz (1995): Wärme aus Sonne und Erde. Energiesparende Heizungssysteme mit Erdwärmespeicher, Solarabsorber und Wärmepumpe
- Ziegler, Christine (2013): Praxiswissen Geothermie – Band VI