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Energie braucht Impulse
Stuttgart, April 2007
Thomas Kölbel
Forschung & Entwicklung
Erdwärmesonden – wie umweltfreundlich sind eigentlich?
2
Inhalt
Motivation eines EVU
› F&E der EnBW
›
Nachhaltige Energieversorgung
› Geothermie aus EVU-Sicht
Erdwärme & Unweltschutz
› Quellenanlagen und der Untergrund
› CO2
› Installation, Betrieb & Rückbau
Beispiele
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
3
Forschung im EnBW-Konzern
Vorstand
Energie Baden-
Württemberg AG
Holding TF
Strategische AufgabenHolding
U-plus Umweltservice AG
EnBW Gesellschaften, z.B.
EnBW Kraftwerke AG
EnBW Regional AG
EnBW Energy Solutions GmbH
Projektabwicklung A
Projektabwicklung B
Projektabwicklung C
Technologie-Monitoring A
Technologie-Monitoring B
Technologie-Monitoring C
EnBW Vertriebsgesells. mbH
Strategische AufgabenOperative Gesellschaften
Demonstrations-vorhaben
Technologiestrategie
UniversitätenIndustrie
ÖffentlichkeitPolitik
Kunden
Strategisches Team Forschung und Entwicklungca. 15 Mitarbeiter
Öffentlichkeitsarbeit
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
4
Gesucht: Handlungsoptionen einer nachhaltigen Energieversorgung
Quelle: Geopower Basel AG
Steigerung der Energieeffizienz
›
Weiterentwicklung auf der Nachfrageseite: auf dem Weg in die „Post-Hochenergie-Gesellschaft“
?
›
Energiesparen
›
…
Neue Energien
›
Erkundung und Erschließung neuer, auch unkonventioneller Kohlenstoffvorkommen
›
Verstärkte Nutzung Erneuerbarer Energien
›
Kernenergie, Fusionsenergie
Neue Technologien
›
Weiterentwicklung Erneuerbarer Energien
›
Verbesserung fossiler Energiewandlung (Erzeugungstechnologien)
›
KWK-Technologien, Brennstoffzellen…
5
100 % Erneuerbare Energien?
›
Warum setzen sich erneuerbare Energien nicht ohne Unterstützung durch?
›
Kosten
›
Beispiel Individualverkehr
›
Kosten Privat-PKW
typischerweise ca. 0,3 –
0,6 €/km
›
Taxi ca. 1,3 €/km
›
…und welche Rolle kann die Geothermie dabei spielen ?
›
Also Schwerpunkt der Energieforschung aus Sicht der EVU‘s
›
auch die technische Machbarkeit
›
wirtschaftliche Erschließung erneuerbarer Energien
Quelle: Kaltschmitt, 2006
6
Energiefluss-Diagramm
Umwandlungsverluste beim Erzeuger
Umwandlung beim Erzeuger
Umwandlung beim Verbraucher
Umwandlungsverluste beim Verbraucher
Min
eral
öl-
erze
ugni
sse
Gas
e
Bri
kett
s, K
oks
Elek
tr. E
nerg
ie
Fern
wär
me
sons
t. z.
B. H
olz
End-Energie 64,9 %
Nutzenergie 33,2 %
Sonn
e, B
iom
asse
, son
st.
Primär-Energie 100 %Er
döl
Stei
nkoh
le
Bra
unko
hle
Erdg
as
Ker
nbre
nnst
offe
Was
serk
raft
, Win
dkra
ftSo
nne,
Bio
mas
se, s
onst
.
Primärenergie Deutschland 2000Erdöl 38,6%Steinkohle 13,5%Braunkohle 10,9%Erdgas 21,3%Kernbrennstoffe 13,1%Wasserkraft, Wasserkraft 0,7%Sonne, Biomasse, sonstige 1,9%Primärenergie 483,8 Mio t SKE
Nutzenergie Deutschland 2000Prozesswärme incl. Warmwasser 29,0%Raumwärme 45,8%Mechanische Energie 22,7%Beleuchtung 0,3%Information u. Kommunikation 2,2%Nutzenergie 160,9 Mio t SKE
Endenergie Deutschland 2000Kraftstoffe 30,6%Heizöl 13,9%Gase 25,9%Fernwärme 3,6%Strom 18,8%Briketts, Koks 5,2%Sonstige feste Brennstoffe 2,0%Endenergie 313,4 Mio t SKE
Quelle: VDEW 2001
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
7
Haushaltsgeräte 6% Beleuchtung 1%
Auto 31%
Information/Kommunikation 1%Warmwasser 8%
Heizung 53%
Was braucht wie viel Energie?
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
8
0
10000
20000
30000
40000
50000
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
Jähr
liche
inst
allie
rte
Anza
hlW
ärm
epum
pen
in D
euts
chla
nd 3)
Erdreich Grundwasser Luft
Potential und Marktzahlen
Situation in Deutschland
› Bedarf Warmwasser & Heizung: ~3.500 PJ 1)
› Technische Potential: ~960 PJ 2)
› installierte Leistung aktuell: ~ 6-7 P
1)
VDEW, 2006
2)
Witt & Kaltschmitt, 2005
3)
BWP, 2007 Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
9
Erdwärmesondenanlagen weltweit
Situation weltweit 1)
› installierte Leistung: ~15.300 MW
›
für Deutschland: eine Verdoppelung in den letzten 3 Jahren auf etwa 1 GW installierte Leistung
USA (7.200 MW)
Schweden (3.800 MW)
Dänemark (770 MW)
China (610 MW)
Kanada (460 MW)
Deutschland (460 MW)
Schweiz (460 MW)
Norwegen (460 MW)
Österreich (310 MW)
Finnland (310 MW)Niederlande (310 MW)
Tschechien (150 MW)
15.300 MW
1)
Witt & Kaltschmitt, 2005
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
10
Erdwärmesonden›
mindestens eine EWS pro Gebäude (optimal), Tiefe: 80 –
130 m
›
mehr als 60% aller WP-Anlagen sind an EWS gekoppelt
›
Entzugsleistung richtet sich nach der Geologie, vor allem aber auch nach dem Verbraucher
Vorteile
›
günstige Quelltemperaturen
›
robust, unkompliziert und sehr geringer Platzbedarf
Nachteile
›
in wasserwirtschaftlich sensiblen Gebieten praktisch nicht genehmigungsfähig
›
Quelltemperatur variiert in Abhängigkeit von der Entzugsdauer und -leistung, daher kleinere Jahresarbeitszahl als Brunnenanlagen
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
11
Flächenkollektor›
flächige Verlegung in ca. 1,5 m Tiefe
›
nicht genehmigungsbedürftig, wenn das Grundwasser tiefer als die Baugrubensohle liegt
›
Entzugsleistung: ca. 10 –
40 W/m²
Vorteile
›
oft kein Genehmigungsverfahren nötig
›
praktisch keine Alterung unterirdischer Anlagenteile
Nachteile
›
großer Flächenbedarf
›
die Jahresarbeitszahl ist niedriger als bei Brunnen-
oder Erdwärmesondenanlagen
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
12
Korbkollektor›
Einbau bis max. 3 m Tiefe
›
nicht genehmigungsbedürftig, wenn das Grundwasser tiefer als die Baugrubensohle liegt
›
Entzugsleistung: keine abgesicherten Angaben möglich
Vorteile
›
oft kein Genehmigungsverfahren nötig
›
praktisch keine Alterung unterirdischer Anlagenteile
Nachteile
›
großer Flächenbedarf, da etliche Körbe je EFH einzubauen sind
›
die Jahresarbeitszahl ist etwas niedriger als bei Brunnen-
oder Erdwärmesondenanlagen
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
13
Jahreszeitlich bedingte Temperaturschwankungen
›
jahreszeitl. Schwankungen vor allem in den ersten 1 -
5 m; messbar allerdings bis ca. 20 m Tiefe
›
Bereiche mit Grundwasser haben durch den steten Wasseraustausch eine praktisch ganzjährig konstante Temperatur (ca. 9 –
15°C)
›
durchschnittl. Temperatur-
zunahme
je 100 m Tiefe am Standort Herbrazhofen ca. 3,4°C je 100 m
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
14
Temperaturen im Untergrund im Jahresverlauf
Vor der Inbe-triebnahme
T ca. 10°Cground
Sommerbe-trieb (Kühlen)
T : 10 -> 20°Cground
Winterbe-trieb (Heizen)
T : 20 -> 4°Cground
Situationim Herbst
T bei ca. 20°Cground
Situationim Frühling
T bei ca. 4°Cground
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
15
Definition Leistungszahl und Jahresarbeitszahl
Leistungszahl (COP) =Heizleistung
elektr. Leistungsaufnahme
Normpunkte (EN 14511):
Sole/Wasser-WP:
B0/W35
Wasser/Wasser-WP:
W10/W35
Luft/Wasser-WP:
L2/W35
(Angaben Prospekte Hersteller)
Jahresarbeitszahl = Jahresheizarbeit
zugeführte elektr. Jahresantriebsenergie
(für Wirtschaftlichkeitsbetrachtung)
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
16
COP und JAZ
2
3
4
5
6
7
8
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30
Soletemperatur (°C)
COP
Tv 50°C
Tv 35°C
COP (Coefficient
of Performance)
›
Maschinenbezogen, d. h. Nebenaggregate wie Umwälzpumpen etc. werden nicht berücksichtigt
› besser zur Einschätzung des Gesamtsystems: Jahresarbeitszahl (JAZ)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
Jahresarbeitszahl [ ]
Leis
tung
[kW
]
Kälteentzugsleistung Stromaufnahme
Je geringer die Differenz Quelltemperatur (hier Erdreich) und Zieltemperatur (hier: Raumtemperatur), desto effizienter die Wärmepumpenanlage!
17
Wärmeverteilsysteme
nicht geeignet für WP! geeignet für WP!
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
18
Emissionen verschiedener Heizungssysteme
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
Grunddaten
›
Vorlauftemperatur Gebäude: 35°C („Fussbodenheizung“), JAZ: 4 []
›
deutscher Strom-Mix (ca. 690 g/kWh1), EnBW: ca. 280 g/kWh)
›
Kühlung nicht berücksichtigt1)
Öko-Institut e.V. (GEMIS), 2006
19
Genehmigungsverfahren in Baden-Württemberg
Quelle: Leitfaden Erdwärmesonden Baden-Württemberg, 2005
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
20
Genehmigungsrelevante ProblemeVerbaute Materialien
›
keine Probleme, Materialien unbedenklich (HDPE, PEX etc.)
Bohr-
und Hinterfülltechnik
›
Trübung des Grundwassers durch den Bohrbetrieb (Gesteinsreste)
›
Hydraulischer Kurzschluss von mehreren Grundwasserleitern›
Trübung des Grundwassers mit Hinterfüllmaterial
Betrieb der Anlage
›
Strukturelle Veränderung durch den Heiz-/Kühl-
betrieb am Hinterfüllmaterial
›
Sondenleckagen (Austritt von alkoholhaltiger Sole)
Stilllegung der Anlage
›
Austritt von alkoholhaltiger Sole
›
denkbar auch: Eintrag anderer Schadstoffe
über das Bohrloch
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
21
LösungenVerbaute Materialien
›
keine weiteren Maßnahmen notwendig
Bohr-
und Hinterfülltechnik
›
Grundwassertrübung (Bohrbetrieb): wenig Möglichkeiten, aber auch nur sehr lokaler Einfluss, dazu gut abschätzbar
›
Kurzschluss Grundwasserleiter: verbesserte Hinterfülltechniken und „verlorene Verrohrung“
›
Grundwassertrübung (Hinterfüllmaterial):
verbesserte Hinterfülltechniken
Betrieb der Anlage
›
Veränderungen am Hinterfüllmaterial: verbesserte Hinterfüllmaterialien
›
Sondenleckagen: Studie der Uni Tübingen ergab, dass vom verwendeten Alkohol keine Gefahr ausgeht (Auftraggeber: Umweltministerium Baden-Württemberg)
Stilllegung der Anlage
›
Austritt von alkoholhaltiger Sole / Eintrag anderer Schadstoffe:
Auspumpen und Entsorgen der Sole, Verfüllen der Sondenrohre mit einer Zement-/Bentonit-
Mischung
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
22
Problematisch
›
Invest deutlich höher
›
Keine Gewährleistung durch die Hersteller von Wärmepumpen
Reines Wasser vs. alkoholhaltiger Sole-Mix
Bohrmeter, Entzugsleistung, Entzugsarbeit und Kosten vs.
zulässige mittlere Fluidtemperatur EWS1)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
-6°C -5°C -4°C -3°C -2°C -1°C °C 1°C 2°C 3°C 4°C 5°C 6°C0 €
5.000 €
10.000 €
15.000 €
20.000 €
25.000 €
Benötigte Sondenlänge [m] Entzugsleistung [W/m] Entzugsarbeit [kWh/m] Installationskosten [€]
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
23
Geothermieprojekte der EnBW
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
24
Die Systemoptimierung im Blickfeld…
Planung
›
Expertentool für die Auslegung von Erdwärmesonden-Feldern unter besonderer Berücksichtigung des Grundwassers
› Derzeit in der Beta-Test-Phase
› Geothermiepotentialkarte Nordschwarzwald
Produkt
›
Steigerung der Effizienz durch ein thermisch verbessertes Hinterfüllmaterial: Erdwärme besser zur Erdsonde leiten
› Mitte 2005 in den Markt eingeführt
Technik
› Entwicklung problemangepasster Verpresstechniken
› Projektstart im Januar 2007
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
25
Konsequente Weiterentwicklung
Prüfung
› Langzeitstudie Wärmepumpen im Betrieb
› Messung relevanter Betriebsdaten, Start Ende 2005
Neuerung
› Messprogramm „alternative Erdwärmetauscher“
› Beginn II. Quartal 2006
Förderung
›
EnBW unterstützt das Geothermie-Förderprogramm
des Landes Baden-Württemberg mit 3 Mio. €
Edelstahlrohr
Hinterfüll-masseUntergrund
CO
2-D
ampf
CO2-flüssig (adiabatisch, „kalt“)
CO2-Dampf („warm“)
Sonden-kopf
Angestrebte Tiefe ca. 300 m
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
26
Auswahl aktueller Bauprojekte der EnBWEnBW-City
› Neubau EnBW-Zentrale
Stuttgart
› Derzeit Beginn der Bauarbeiten
› ca. 800-1000 kW Heiz-/Kühlbedarf
Neubau OfficeSenter
BIB, Logistikcenter Herrenberg
›
Erdwärmesonden zum Heizen und Kühlen geplant
›
Thermal Response Test bereits durchgeführt, derzeit Simulation und Optimierung
› je ca. 200 kW Heiz-/Kühlbedarf
Kalte Nahwärme in March
›
dezentrales Brunnen-/Rigolensystem zur Wärmeversorgung eines Neubaugebiets
›
Untersuchungen und Bohrarbeiten 2006 abgeschlossen
› ca. 450/150 kW Heiz-/Kühlbedarf
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
27
Zusammenfassung und Ausblick
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende
Wärmepumpen
› erstaunliche Zuwächse, vor allem auch, weil wirtschaftlich attraktiv
› besonders erfolgreich: Koppelung mit Erdwärme
CO2
-Emission
› günstiger als Heizsysteme auf der Basis fossiler Energieträger
›
ABER: eine sorgfältige und fachgerechte Planung sind hier von zentraler Bedeutung
› besonders attraktiv: Wärmepumpe mit Strom aus CO2
-freier Stromproduktion
Umweltschutzprobleme im Zusammenhang mit der Installation
› Keine Probleme mit den eingesetzten Materialien
›
alkoholhaltige Frostschutzzusätze bei Leckagen und Übertritt ins Grundwasser leicht abbaubar,
›
ABER: Wasser ist ein Nahrungsmittel, daher sind Erdwärmesonden sorgfältig auszuführen und mit Druckwächtern zu versehen
› Rückbau unproblematisch
› Grundwasserschutz kann weiter verbessert werden (Hinterfüllung, Bohrung etc.)
28
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit…
…noch Fragen ???
Inhalt
Motivation
Erdwärme & Umweltschutz
Beispiele
Ende