Energie braucht Impulse

Stuttgart, April 2007

Thomas Kölbel

t.koelbel@enbw.com

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

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offe

Was

serk

raft

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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