Hochtemperaturwärmepumpen im Kontext geothermischer ... · Wien Energie „Bis 2030 wollen ... ke...
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Hochtemperaturwärmepumpen im Kontext geothermischer
Wärmeversorgung
Berliner Energietage, 22.05.2019
Jochen Schäfer, Florian Reissner, Paul Girbig, Norbert Wenn, Siemens AG
Siemens / Gas & Power / Corporate TechnologyUnrestricted © Siemens AG 2019
Unrestricted © Siemens AG 2019Mai 2019Page 2 GP / CT
Zusammenfassung und Ausblick
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung anhand eines konkreten Falles
Anwendungsmöglichkeiten für die Tiefengeothermie
Wärmepumpen: Entwicklungsfortschritt
Wärmepumpen: Prinzip und Stand der Technik
Motivation und Hintergrund
Agenda
Unrestricted © Siemens AG 2019Mai 2019Page 3 GP / CT
Bedeutung der Fernwärme für die Energiewende in Deutschland
Ziele für erneuerbare Fernwärme
Fernwärme in Deutschland heute
Angaben in GWth
installierte Anschlussleistung
Installierte Leistung:
51 GWth
Wärmemenge:
86 TWhth / a
Energieträger:
AGFW Hauptbericht 2017; BDI Studie – Klimapfade für Deutschland 95% Zielpfad
2,4
2,8
1,23,6
0,8
9,9
3,2
1,0
6,76,0
6,3
1,7
3,3
1,1
1,1 Dekarbonisierung
→ 30 Mio. t CO2/a durch Wärmeerzeugung für
die Fernwärme
Wien Energie„Bis 2030 wollen wir den Anteil der Nutzung
erneuerbarer Energie bei der Strom- und
Wärmeproduktion verdoppelt haben – von derzeit 20%
auf rund […] 40% bei Wärme“
Stadtwerke München„Bis 2040 soll München die erste deutsche Großstadt
werden, in der Fernwärme zu 100 Prozent aus
erneuerbaren Energien gewonnen wird“
Vattenfall„Wärme für Berlin: 50% weniger CO2 bis 2020 […]
Vattenfall Wärme unterstützt Berlin bis 2050
klimaneutral zu werden“
Ziele für erneuerbare Fernwärme
https://wärme.vattenfall.de/media/64/download/Broschuere_Waerme_fuer_Berlin.pdf?v=1
www.wienenergie.at/media/files/2016/we_jahrbuch2015_geschuetzt_179859.pdf
www.swm.de/privatkunden/unternehmen/energie/vision-fernwarme.html
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Technologien für erneuerbare Fernwärme
Potentielle Technologien Fernwärme in Deutschland zukünftig
Angaben in TWh
→ Vermeidungskosten: Zu- und Umbau
der Fernwärme: 40 € / tCO2
→ vgl. Elektromobilität: 130 € / tCO2
Beispiel
BDI Studie
Biomasse
Solarthermie
Müllverbrennung
Wärmepumpe Tiefengeothermie
+
BDI Studie – Klimapfade für Deutschland 95% Zielpfad
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Zusammenfassung und Ausblick
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung anhand eines konkreten Falles
Anwendungsmöglichkeiten für die Tiefengeothermie
Wärmepumpen: Entwicklungsfortschritt
Wärmepumpen: Prinzip und Stand der Technik
Motivation und Hintergrund
Agenda
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Grundprinzip einer Kompressions-Wärmepumpe
Reversible Wärme-
pumpe
Strom
Wärmepumpe Coefficient of Performance (COP)
Schema
Wärmepumpe
Elektroheizer
Wärme auf hohem Temperaturniveau
1COP
3...6COP
Aufwand)( Energie eElektrisch
Nutzen) ( Energie ThermischeCOP
EH
WP
=
Wärme auf niedrigem Temperaturniveau
Wärme fließt im Normalfall von einer hohen zu einer niedrigen
Temperatur. Wärmepumpen sind jedoch in der Lage den
Wärmestrom in die umgekehrte Richtung zu lenken, indem sie
geringe Mengen hochwertiger Antriebsenergie, wie z.B. elektrischen
Strom verwenden. Dadurch können Wärmepumpen Wärme von
einem niedrigen Temperaturniveau auf eine höheres
Temperaturniveau übertragen.1
Funktionsprinzip
1IEA Heat Pump Centre, URL:http://www.heatpumpcentre.org/en/aboutheatpumps/
heatpumptechnology/Sidor/default.aspx, Stand 11.02,2013
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Temperaturgrenzen kommerzieller Wärmepumpen
40
60
80
100
120
140
160
180
T [°C]W
ärm
e-
qu
elle
Wärm
equelle
Wärm
esenke
40 °C
100 °C
150 °C
Zu
sä
tzl. A
nw
en
du
ng
en
100 °C
Wärm
esenke
Kommerziell F&E
• Entwicklung möglicher Konzepte für Hochtemperatur-Wärmepumpen
• Prüfung des Marktpotentials für Groß- / Hochtemperatur-Wärmepumpen
Ziel bei Siemens
Wärmebedarf in
der Industrie
Verfügbare
Wärmepumpen
Hochtemperatur
Wärmepumpen
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Siemens lieferte 50 Großwärmepumpen seit 1980
in Schweden und Finnland
Nr. Projekt Thermische
LeistungNr. Projekt
Thermische
Leistung
1 Ludvika 1 11 MWth 26 Lund GEO 20 MWth
2 Västeras 1 12 MWth 27 KungsängenVP1 8 MWth
3 Uppsala 1 13 MWth 28 Örebrö VP1 20 MWth
4 Uppsala 2 13 MWth 29 Örebrö VP2 21 MWth
5 Uppsala 3 13 MWth 30 Huskvarna 7 MWth
6 Visby 12 MWth 31 Hammarby VP1 20 MWth
7 Borlänge 1 12 MWth 32 Hammarby VP2 20 MWth
8 Borlänge 2 12 MWth 33 Hammarby VP6 30 MWth
9 Västeras 1 12 MWth 34 Hammarby VP7 30 MWth
10 Lund1 13 MWth 35 Akersberga VP1 6 MWth
11 Malmö1 13 MWth 36 Järfälla VP1 20 MWth
12 Malmö2 13 MWth 37 Järfälla VP2 20 MWth
13 Malmö3 13 MWth 38 Solna VP1 30 MWth
14 Eskilstuna 1 13 MWth 39 Solna VP2 30 MWth
15 Upplands Väsby 1 11 MWth 40 Solna VP3 30 MWth
16 Upplands Väsby 2 11 MWth 41 Solna VP4 30 MWth
17 Sandviken 12 MWth 42 Lund Geo 2 27 MWth
18 Gävle 1 14 MWth 43 Ropsten VP91 25 MWth
19 Eskilstuna 2 13 MWth 44 Ropsten VP92 25 MWth
20 Borlänge 3 12 MWth 45 Ropsten VP93 25 MWth
21 Kalmar VP1 13 MWth 46 Ropsten VP94 25 MWth
22 Örnsköldsvik VP1 14 MWth 47 Lindesberg VP1 5 MWth
23 Örnsköldsvik VP2 5 MWth 48 Eslöv VP1 9 MWth
24 Umea VP1 17 MWth 49 Jönköping 25 MWth
25 Umea VP2 17 MWth 50 Hammarby VP 5 30 MWth
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Zusammenfassung und Ausblick
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung anhand eines konkreten Falles
Anwendungsmöglichkeiten für die Tiefengeothermie
Wärmepumpen: Entwicklungsfortschritt
Wärmepumpen: Prinzip und Stand der Technik
Motivation und Hintergrund
Agenda
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Modell im Labormaßstab
Betriebsbereich
• Maximale thermische Leistung: 12 kW
• Wärmequellen: 40-110 °C
• Wärmesenken: 80-150 °C
Merkmale
• Kolbenverdichter
• Verwendung verschiedener Arbeitsfluide möglich
• Variable Arbeitsfluidfüllmenge während Betrieb
Fortschritt
• Betriebserfahrung seit 2012
• Bewertung von vier neuartigen Arbeitsfluiden
• Experimentelle Untersuchung abgeschlossen in 2015
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Leistung im Labormaßstab und Ausblick auf Industriemaßstab
1
3
5
7
9
11
13
15
105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155
Experim
enta
l C
OP
Condensation temperature [°C]
COP – Carnot, Industriemaßstab (> 5 MW), Labormaßstab (~10 kW)
Die Versuche zeigen eine vielversprechende
Leistung der neuartigen Arbeitsfluide und die
Leistung für den Industriemaßstab wird als noch
höher angenommen
Bei Verdampfungstemperatur = 80 °C
COP:
Coefficient of performance =Hochtemperatur Wärme
Elektrische Energie
Kondensationstemperatur [°C]
CO
P
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Ziel bei Siemens
Hochtemperatur-Wärmepumpe
→Erfahrung im Labor (bis 150 °C, 12 kWth)
Standard-Wärmepumpe
→Jahrzehntelange Erfahrung im kommerziellen
Einsatz für Fernwärme (bis 90 °C, 5-30 MWth)
Großskalige
Hochtemperatur-Wärmepumpe
Anwendungsentwicklung
• Identifikation von potentiellen
Anwendungen
•Techno-ökonomische
Betrachtung in Kooperation mit
potentiellen Betreibern
→ 100-150 °C, 5-40 MWth
Wärmepumpe
Tiefengeothermie
+
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Zusammenfassung und Ausblick
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung anhand eines konkreten Falles
Anwendungsmöglichkeiten für die Tiefengeothermie
Wärmepumpen: Entwicklungsfortschritt
Wärmepumpen: Prinzip und Stand der Technik
Motivation und Hintergrund
Agenda
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Hochtemperatur-Wärmepumpe @ Fernwärme
Tiefengeothermiequelle
Tiefengeothermiequelle
Fernwärme
95 °C55 °C
90 °C50 °C
5-10 MWth
Idealisierte Skizze
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Hochtemperatur-Wärmepumpe @ Fernwärme
Tiefengeothermiequelle
Tiefengeothermiequelle
Fernwärme
95 °C55 °C
90 °C50 °C
5-10 MWth
Idealisierte Skizze
Herausforderung 1: Fernwärme benötigt höhere Temperatur
Herausforderung 2: Fernwärme benötigt höhere Wärmeleistung
→Nutzung von Wärmepumpen
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District heating
network
Geothermal
source
Hochtemperatur-Wärmepumpe @ Fernwärme
Tiefengeothermiequelle – Kapazitätserweiterung
Erweiterte Alternative mit WärmepumpeStandardnutzung einer Tiefengeothermiequelle
• Erhöhte Wärmeausbeute aus Tiefengeothermiequelle +50%
• Erhöhte Wärmebereitstellung für die Fernwärme +60%
• Gleiche Förderrate in der Bohrung
Nutzen der erweiterten Alternative
10 MWth
90 °C
50 °C
95 °C55 °C
60 kg/s
60 kg/s
District heating
network
HP
Geothermal
source
16 MWth
90 °C
50 °C
95 °C35 °C
60 kg/s
60 kg/s
95 kg/s
HP
30 °C 35 kg/s
60 kg/s
10 MWth 15 MWth
WP
1.5 MWel
Tiefengeo-thermiequelle
FernwärmeFernwärme
Tiefengeo-thermiequelle
COP = 4.2Leistungen inkl. Verluste
Gerundete Leistungswerte
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District heating
network
WP
Geothermal
source
District heating
network
Geothermal
source
Hochtemperatur-Wärmepumpe @ Fernwärme
Tiefengeothermiequelle – Temperaturerhöhung (und Kapazitätserweiterung)
Erweiterte Alternative mit WärmepumpeStandardnutzung einer Tiefengeothermiequelle
90 °C
50 °C
95 °C55 °C
100-150 °C
50 °C
95 °C
35 °C
30 °C
WP
90 °CLimitierte Temperatur
Höhere Temperatur
möglich
FernwärmeFernwärme
Tiefengeo-thermiequelle
Tiefengeo-thermiequelle
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District heating
network
WP
Geothermal
source
District heating
network
Geothermal
source
Hochtemperatur-Wärmepumpe @ Fernwärme
Tiefengeothermiequelle – Temperaturerhöhung (und Kapazitätserweiterung)
Erweiterte Alternative mit WärmepumpeStandardnutzung einer Tiefengeothermiequelle
90 °C
50 °C
95 °C55 °C
120 °C
50 °C
95 °C35 °C
30 °C
WP
90 °CLimitierte Temperatur Höhere Temperatur
möglich
60 kg/s
60 kg/s10 MWth
10 MWth
15 MWth 60 kg/s
60 kg/s
17 MWth
2.4 MWel FernwärmeFernwärme
Tiefengeo-thermiequelle
Tiefengeo-thermiequelle
• Erhöhte Wärmeausbeute aus Tiefengeothermiequelle +50%
• Erhöhte Wärmebereitstellung für die Fernwärme +70%
• Erhöhte Temperatur für die Fernwärme +30 K
• Gleiche Förderrate in der Bohrung
Nutzen der erweiterten Alternative
COP = 2.9Leistungen inkl. Verluste
Gerundete Leistungswerte
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District heating
network
WP
Geothermal
source
District heating
network
Geothermal
source
Hochtemperatur-Wärmepumpe @ Fernwärme
Tiefengeothermiequelle – Temperaturerhöhung einer unzureichenden Quelle
Erweiterte Alternative mit WärmepumpeTiefengeothermiequelle mit zu geringer Temperatur
95 °C
50 °C
75 °C
95 °C
50 °C
75 °C35 °C
30 °C
WP
70 °C
10 MWth60 kg/s
60 kg/s
11 MWth
1.6 MWel
XFernwärmeFernwärme
Tiefengeo-thermiequelle
Tiefengeo-thermiequelle
• Tiefengeothermiequelle mit ungenügender Temperatur kann trotzdem genutzt werden
• Erhöhte Wärmeausbeute Im Vergleich zu Lösungen ohne Wärmepumpe
Nutzen der erweiterten Alternative
COP = 3.8Leistungen inkl. Verluste
Gerundete Leistungswerte
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Zusammenfassung und Ausblick
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung anhand eines konkreten Falles
Anwendungsmöglichkeiten für die Tiefengeothermie
Wärmepumpen: Entwicklungsfortschritt
Wärmepumpen: Prinzip und Stand der Technik
Motivation und Hintergrund
Agenda
Unrestricted © Siemens AG 2019Mai 2019Page 21 GP / CT
Konkreter Fall in Berlin: Dublettenbohrung
Mit freundlicher
Unterstützung
Dublettenbohrung:
• Mittlerer Buntsandstein
• Förderbohrung: 1500 m
• Injektionsbohrung: 1600 m
• Ablenkweite: 300 m
• Vorlauftemperatur: 60 °C
• Rücklauftemperatur
nach Wärmepumpe: 25 °C
• Wärmeleistung: 6 MWth
Unrestricted © Siemens AG 2019Mai 2019Page 22 GP / CT
Konkreter Fall in Berlin: Einbindung Wärmepumpe
District heating
network
WP
Geothermal
source
Betriebspunkt im Winter
110 °C
60 °C
60 °C25 °C
20 °C
WP
55 °C
6.0 MWth
8.7 MWth
3.0 MWel Fernwärme
Bunt-sandstein
COP = 2.9Leistungen inkl. Verluste
Gerundete Leistungswerte
District heating
network
WP
Geothermal
source
Betriebspunkt im Sommer
85 °C
60 °C
60 °C25 °C
20 °C
WP
55 °C
6.0 MWth
8.1 MWth
2.3 MWel Fernwärme
Bunt-sandstein
COP = 3.4Leistungen inkl. Verluste
Gerundete Leistungswerte
Unrestricted © Siemens AG 2019Mai 2019Page 23 GP / CT
Konkreter Fall in Berlin: Einfache Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Mit freundlicher
Unterstützung:
Annahmen (heutige Werte; zukünftige Veränderung siehe Sensitivitätsanalyse)
• Gesamtinvest: 17.250 Mio. EUR1
(Dublettenbohrung, oberirdische Anlagen, Wärmepumpe)
• Finanzierungszins: 6%4
• Betrachtungszeitraum: 20 Jahre4
• CO2-Intensität Strom: 475 g/kWh2
• CO2-Intensität Erdgas: 200 g/kWh2
• CO2-Preis: 27 EUR/t3
• Strompreis: 100 EUR/MWh4
• Erdgaspreis: 30 EUR/MWh4
• Biogaspreis: 75 EUR/MWh5
• Volllaststunden: 8000 h/a4
(in Grundlast)
→ Wärmegestehungskosten
• Tiefengeothermie + Wärmepumpe: 6.5 ct/kWh
• Erdgas: 4.3 ct/kWh
• Biogas: 9.0 ct/kWh
1: GFZ Potsdam/Siemens 2: Umweltbundesamt 3: finanzen.net 4: Eigene Annahmen da betreiberabhängig 5: Bundesnetzagentur
Unrestricted © Siemens AG 2019Mai 2019Page 24 GP / CT
Sensitivitätsanalyse einiger Annahmen
Mit freundlicher
Unterstützung:
Biogas
Erdgas
Tiefengeothermie
+ Wärmepumpe
Höheres Invest
wg. Kommentar
von TJK2
4
6
8
10
20 30 40 50Wärm
eg
este
hu
ng
s-k
os
ten
[ct/
kW
h]
Erdgaspreis [EUR/MWh]
2
4
6
8
10
80 100 120 140Wärm
eg
este
hu
ng
s-k
oste
n [
ct/
kW
h]
Strompreis [EUR/MWh]
2468
101214
60 75 90 105Wärm
eg
este
hu
ng
s-k
oste
n [
ct/
kW
h]
Biogaspreis [EUR/t]
2
4
6
8
10
5000 6000 7000 8000Wärm
eg
este
hu
ng
s-k
oste
n [
ct/
kW
h]
Volllaststunden [h/a]
Unrestricted © Siemens AG 2019Mai 2019Page 25 GP / CT
Zusammenfassung und Ausblick
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung anhand eines konkreten Falles
Anwendungsmöglichkeiten für die Tiefengeothermie
Wärmepumpen: Entwicklungsfortschritt
Wärmepumpen: Prinzip und Stand der Technik
Motivation und Hintergrund
Agenda
Unrestricted © Siemens AG 2019Mai 2019Page 26 GP / CT
Zusammenfassung und Ausblick
• Fernwärmenetzbetreiber wollen langfristig die fossilen Energieträger ersetzen
• Wärmepumpen für Nutztemperaturen im Bereich 100-150 °C sind in Entwicklung
• Wärmepumpen können eingesetzt werden, um Tiefengeothermiequelle zu erweitern:
− Höhere Vorlauftemperaturen möglich
− Größere Wärmeleistung möglich
− Befähigung der Nutzung von Tiefengeothermiequellen mit geringen Temperaturen
• Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zeigen vielversprechende Perspektiven für die zukünftige Dekarbonisierung
bei gleichbleibender Förderrate
Unrestricted © Siemens AG 2019Mai 2019Page 27 GP / CT
Kontakt
Geschäftsentwicklung
Norbert Wenn
Gas and Power
Energy Solutions
GP PG EUC
Freyeslebenstrasse 1
91050 Erlangen
Phone: +49 (9131) 17 – 34302
Email:
Vortragender
Dr. Jochen Schäfer
Corporate Technology
Research in Energy and Electronics
Energy Systems
Distributed Energy Systems and Heat Conversion
CT REE ENS DEH
Günther-Scharowski-Strasse 1
91058 Erlangen
Phone: +49 (9131) 17 – 36949
Email:
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+ + +
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+ + +
Die Leitveranstaltung der Energiewende in Deutschland fand 2019
vom 20. bis zum 22. Mai im Ludwig Erhard Haus in Berlin statt.
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www.energietage.de
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