Direktverdampfungssystem: vielseitig und effizient

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Gerda Kranz
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1 Direktverdampfungssystem: vielseitig und effizient Brandenburgischer Geothermietag 2009 Dr.-Ing. Rolf Michael Wagner BLZ Geotechnik Gommern

2 Thesen Geothermie besteht in der komplizierten Gewinnung von Energie und dem Wärmetransport von unten nach oben Die Direktverdampfung in vertikalen Sonden besitzt eine größere Effizienz beim Wärmeentzug aus dem Erdreich Direktverdampfung verbessert die Regeneration Oberflächennahe Erdwärme ist wirtschaftlich nutzbar für größere Wohnungseinheiten

eine größere Effizienz beim Wärmeentzug aus dem Erdreich Direktverdampfung verbessert

3 Warum oberflächennahe Geothermie? Oberflächennahe Geothermie Erdwärmesonden (Sole, Direktverdampfer) Hydrothermale Entnahme Erdregister (Sole, Direktverdampfer) tiefe Geothermie Hydrothermale Geothermie Tiefe Erdwärmesonden In der Erdkruste gespeicherte Energie Vergleicht man die bis in 3000 m gespeicherte Energie mit dem Weltenergieverbrauch, so scheinen wir uns um Energieprobleme keine Sorgen mehr machen zu müssen. Allein was im oberflächennahen Bereich gespeichert ist, reicht aus, den Bedarf der Menschheit auf Dauer für die Wärmeversorgung zu decken. Unter den erneuerbaren Energien nimmt die Geothermie wegen ihrer Eigenschaften eine besondere Stellung ein: Sie steht unabhängig von Witterung, Tag- und Nachtzeiten immer bedarfsgerecht zur Verfügung. Geothermische Energie ist eine Grundlastenergie. Innovationsziel ist damit eine wirtschaftliche Gewinnung dieser Ressource. aus natürlichen Quellen

Erdkruste gespeicherte Energie Vergleicht man die bis in 3000 m gespeicherte Energie mit dem Weltenergieverbrauch, so scheinen wir uns um Energieprobleme keine Sorgen mehr machen zu müssen.

4 Nutzungsformen der Geothermie

5 solarer Wärmestrom mw/m² ( mw/m²)

6 Strahlungsbilanz + Speicher: Erde Rückkopplungseffekte bei Wärmeentzug aus der Erde

7 Permafrost Untersuchungen in Alaska Einfluss der Atmosphäre OSTERKAMP, T. E. (2003)

8 Energiesituation im Erdreich solarer Wärmestrom mw/m² ( mw/m²) Sommer Winter

9 vertikale Tiefe, m Temperaturfeld nach 50 Jahren Betrieb Häfner Radius, m

000-100 -120-140 -160-180 1.000 0.500 0.100 0.010 0.

10 vertikale Tiefe, m Temperaturfeld nach 50 Jahren Regeneration vorher 50 Jahre Betrieb 0 Häfner Radius, m

-40 0.200-60 0.100-80 -100 0.010-120 -140 0.

11 Grundaufgabenstellung zur wirtschaftlichen Wärmegewinnung aus Bohrungen 1. Die Wärmeleistung pro Bohrmeter muss möglichst groß und der Transport der Wärme nach oben mit möglichst geringen Verlusten verbunden sein. 2. Das Verfahren soll standortunabhängig und grundlastfähig sein, um eine allgemeine Nutzung zu ermöglichen. 3. Wärmeleistung muss mit geringen Fremdenergieeinsatz hergestellt werden.

möglichst geringen Verlusten verbunden sein. 2.

12 Sole-U-Rohr-Erdwärmesonden Tiefe m Durchmesser 4x32 mm Lebensdauer über 35 Jahre Entzugsleistungen Sediment trocken 20 W/m Sediment gesättigt 50 W/m Festgestein 65 W/m Technikeinsatz Bohrtechik Installation Wartung Wärmepumpe

Sediment trocken 20 W/m Sediment gesättigt 50 W/m

13 Fallfilmverdampfung mit angekopplter Wärmepumpe Tiefe m Lebensdauer über 35 Jahre Heizleistungen Sediment trocken 25 W/m Sediment gesättigt 70 W/m Festgestein 100 W/m Technikeinsatz Bohrtechnik Installation Wärmepumpe

Sediment trocken 25 W/m Sediment gesättigt 70 W/m

14 Vertikaler Temperaturverlauf einer U-Rohr-Zirkulationssonde wirksame Temperaturdifferenz Solezirkulation

15 Vertikaler Temperaturverlauf einer Phasenwechselsonde wirksame Temperaturdifferenz Rieselfilmverdampfer

16 Wärmeentzug durch Phasenwechsel- und Sole-U-Rohr-Sonde solarer Wärmestrom mw/m² ( mw/m²) Sondenkopf Betonring/Sicherungsring mit Abdeckung Kiesfüllung als Drainage Kältedämmung Stahl z.b. Propanfüllung (R290) keine Wassergefährdungsklasse Sulfatresistenter Zement, Ringspaltdicke ca.35mm Bohrung, Ø123mm

Kiesfüllung als Drainage Kältedämmung Stahl z.b.

17 Vergleich der EWS-Typen Wärmetransport nach oben U-Rohr-Sonde mit Zirkulationspumpe Phasenwechselsonde mit Rieselfilmverdampfung Fremdenergie über Zirkulationspumpe keine Thermische Verluste Wärmeentzug Wärmeübergang zwischen den beiden Schenkeln des U-Rohres keine Technologie Temperaturerhöhung des Zirkulationsmediums Phasenwechsel des Energieträgers Effizienz wird mit zunehmender Teufe geringer annähernd konstant über die gesamte Sondenlänge Technische Ausführung Material PE-Rohr mit Sondenfuß Stahl-, Kupfer-, Kunststoffrohr Geometrie Einfach U-Rohr, Doppel-U-Rohr, Koaxial-Rohr (doppelte Sondenlänge) Glatt- oder Wellrohr (einfache Sondenlänge) Wärmeübertragung Abkühlung/Verdampfung Kondensation/Verdampfung Marktverbreitung Standardprodukt von Erdsondenlieferanten Spezialunternehmen Montage Verbindung von Zirkulationsleitungen, Wärmepumpe hat geschlossenen Kältekreis Kältekreis der Wärmepumpe muss mit dem Wärmetau scher am Sondenkopf ver bunden werden Umweltverträglichkeit Arbeitsmittel mit Wassergefährdungsklasse 1 Arbeitsmittel Propan oder Kohlendioxid sind nicht wassergefährdend Grenzen (sind im wesentlichen wirtschaftlich begründet) Sondenlänge durch Zirkulationsverluste Sondenlänge durch technologisches Prinzip, technische Weiterentwicklungen sind möglich

geringer annähernd konstant über die gesamte Sondenlänge Technische Ausführung Material PE-Rohr mit Sondenfuß Stahl-, Kupfer-, Kunststoffrohr Geometrie Einfach U-Rohr, Doppel-U-Rohr, Koaxial-Rohr

20 Phasenwechselsonde M. Ehrbar, A. Peterlunger Rieselfilm- / Badverdampfer Einrohranordnung Naturumlaufverdampfer Zweirohranordnung

21 Erdwärmesonden - Fallfilmverdampfer

22 Druck in bar Dampfdruck von Propan und CO C O2 Pro p an Temperatur in C

23 Leistung im typischen Heizbetrieb Häfner 2008

24 Winterleistung im Vergleich Phasenwechsel- und Sole-U-Rohr-Sonde

25 Bohrarbeiten für das Sondenfeld 16 Phasenwechselsonden für 160 kw Heizleistung

26 Erdwärmeanlage mit Phasenwechselsonden

27 Erdwärmeanlage mit Phasenwechselsonden

28 Wärmefluss einer Fallfilmverdampfersonde, qualitativ

29 Nutzungsformen der Geothermie

30 Erdwärmeanlage mit Phasenwechselsonden Sanierung im Bestandswohnungsbau Wärmepumpe Sondenkopf

31 Erdwärmeanlage mit Phasenwechselsonden Hauseinführung

32 Erdwärmeanlage mit Phasenwechselsonden Sondenfeld während der Inbetriebnahme

33 Freies Heizen und Kühlen aus der Erde

34 Flächenheizung ohne Fremdenergie Thermografieaufnahme des Bahnsteiges bei einer Außentemperatur von 10 C

35 Weichenheizung ohne Fremdenergie Thermografieaufnahme des Bahnsteiges bei einer Außentemperatur von 10 C

36 im Betrieb Pilotprojekt Rasenheizung ohne Fremdenergie beheizt unbeheizt

37 Vorteile des Direktverdampfer-Verfahrens vermindertes geologisches Risiko hohe Wärmeentzugsleistungen der Sonden einfache Sondeninstallation optimale Ankopplung und Auslastung der Gebirgseigenschaften Wärme-/Kälte-/(Strom)-Erzeugung dynamische Betriebsführung/Leistungsreserve thermodynamisch vorteilhaft für angekoppelte Wärmepumpenprozesse

38 Erdwärme aus Bohrungen Direktverdampfung über Verdichter mit Zirkulation

39 Funktionsschema der Erdwärmesonde Kältekreislauf NH 3 NH 3 Wärmestrom E i s m a n t e l E i s m a n t e l Wärmestrom Kältekreislauf

40 Gewinnbare Wärme aus der Auskühlung des Gebirges im Vergleich zum Wärmegewinn aus der Wassereisbildung Material Wärmegewinn aus der Abkühlung von 1 m 3 um 1 K äquivalenter Radius einer 100 m - kwh/m 3 Bohrung zum Wärmegewinn von 10 MWh m Tonstein, trocken 0,455 8,36 Feinsand, trocken 0,345 9,61 wassergesättigt 0,802 6,30 Grobsand, trocken 0,371 9,26 wassergesättigt 0,762 6,46 Granit 0,592 0,712 7,33 6,69 Quarz 0,545 7,64 Wassereisbildung 92,2 0,59

41 Auskühlungsprofil bei Wärmeentzug um eine 100 m Erdwärmesonde mit Isolationsstrecken Häfner 2005

42 Sondengekoppelte solare und geothermische Wärme Erdwärmegewinnung mit flüssig/dampfförmigem Kältemittel Verwertung von Wärme mit niedrigen Temperaturen Einbindung der Solarkollektoren auf die Erdwärmesonde gleichzeitige Verfügbarkeit von Wärme und Kälte

43 Zusätzliche Nutzung von Umweltwärme Häfner 2008

44 Regenerative Wärme monovalente Wärmeversorgng mit regenerativen Energien - Erdwärme/Sonnenwärme/Biodiesel Einsparung von CO 2 -Emissionen Optimierung der Energienutzung - Sichern des Energiebedarfes mit regenerativer geothermischer und solarer Energie Schonung der Öl-, Gas-, Kohle- und Uranvorräte - keine Bergbauschäden keine Abprodukte (NO X, SO 2 )

45 Also geben Sie der Erdwärme eine Chance!

46 %-Anteil der Nutzenergie Pimärenergieveredlung zur Wärmeversorgung Brennwertkessel Strom - direkt WP-Luft LZ-3,2 WP-Erdreich LZ-4,2 FuE-System LZ-5,0

47 EEWärmeG Effizienzanforderungen Geothermie JAZ (Strom)> 4,0 für Raumheizng JAZ (Strom)> 3,8 für Raumheizung + Warmwasser Nachweis: Wärmemengenzähler wenn T>35 C, Stromzähler JAZ (fossil)> 1,2 Bescheinigung durch einen Sachkundigen 3 Monate nach Inbetriebnahme 5 Jahre aufbewahren Ziel % Wärme aus erneuerbare Energien

48 EEWärmeG Gesetz zur Förderung erneuerbarer Energien im Wärmebereich Seit in Kraft Anwendung für neugebaute Gebäude Für Bauanträge nach dem Erneuerbare Energien Solare Strahlungswärme >15% Biomasse >30% Geothermie >50% Umweltwärme >50%

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